我国科学家在Science杂志发文揭示作物主效耐碱基因可大幅提高盐碱地作物产量

3月24日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队和华中农业大学水稻团队等8家科研单位的学者们协同攻关，首次发现了一个重要的耐盐碱调控基因，通过对该基因的操纵，可以显著提高多种作物的盐碱耐受性。该成果发表在国际高水平学术期刊Science杂志上。作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室欧阳亦聃教授为共同通讯作者。

该成果得到了Science杂志审稿人的高度评价，被称为是“科学界的重大发现”“农业生产方面的重大突破”。

我国盐碱地面积高达一亿公顷，占世界盐碱地总面积的近1/10。土壤盐渍化不仅造成作物严重减产，而且破坏人类赖以生存的生态环境。“藏粮于技、藏粮于地”，我国农业的可持续发展迫切需要利用现代遗传育种技术培育耐盐碱作物“以种适地”。盐渍化土地分为中性pH的盐地（富含氯化钠和硫酸钠）和高pH的苏打盐碱地（富含碳酸钠和碳酸氢钠，约占60%）。虽然目前对于植物耐盐性有较深入认识，但是对植物耐碱胁迫环境的认识严重不足。

AT1基因编码一个G蛋白γ亚基，与水稻的粒形调控基因GS3同源。水稻GS3基因早在1997年由张启发团队鉴定到，历时九年于2006年被克隆，四年后的2010年解析了GS3蛋白的结构与功能之间的调控机制。2018年，张启发/欧阳亦聃团队阐明了GS3所在的G蛋白网络参与粒形与粒重调控的协同互作机制，并于2021年与种康/徐云远团队揭示了E3泛素连接酶调节GS3蛋白降解的机制。最新的合作研究成果又揭开了AT1/GS3一层新的面纱：植物细胞受到盐碱胁迫后发生氧化应激反应，产生的过氧化氢对细胞有毒害作用，导致植物无法完成正常的生命周期。当AT1/GS3基因存在时，其蛋白抑制细胞膜上的水通道蛋白PIP2s发挥功能必需的磷酸化，致使过量有害过氧化氢不能及时有效的泵出细胞，作物生长发育受到危害。改造该基因则可缓解此毒害，赋予植物高耐盐碱性（图1）。

图1. Gγ亚基编码基因AT1/GS3介导植物对碱胁迫的响应机制

研究团队基于基因编辑技术和利用自然界的少数优异基因资源，将其运用到多种作物的改良中。在吉林大安和宁夏平罗盐碱地大田实验发现，基于耐盐碱等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了约20-30%的产量和生物量（图2）。此外，由建三江绿色超级稻院士工作站李旭博士培育的含改良GS3基因的鸿香稻93，在黑龙江显著提高了品种产量并有更好的盐碱耐受性；谢旗团队所育的6个国审的甜高粱品种在全国已推广超50万亩。

图2. AT1/GS3基因敲除和自然功能缺失等位基因可提高盐碱地作物产量

目前世界上约有6.18亿公顷盐碱地，如果其中20%的中低度盐碱地运用AT1/GS3基因资源，每年将为世界增产粮食约2.5亿吨。因此，AT1/GS3基因在作物耐盐碱育种中具有巨大应用潜能，是缓解碱害、实现绿色农业的有效途径，将为解决全球粮食安全危机和高效利用盐碱土地做出巨大贡献。

相关研究成果以“A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in  crops”为题于2023年3月24日发表在Science杂志上。中科院遗传发育所博士后张会丽、中国农业大学于菲菲教授、遗传发育所博士后谢鹏、扬州大学孙生远博士和中科院生物物理研究所高级工程师乔新华为该论文的共同第一作者，谢旗研究员、于菲菲教授和华中农业大学欧阳亦聃教授为共同通讯作者。同时宁夏大学许兴教授、中科院东北地理所梁正伟研究员、中科院遗传发育所李家洋院士和汪迎春研究员、华中农业大学张启发院士和中科院生物物理所陈畅研究员也参与了该研究，并给予相关技术支持。

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文 | 张会丽

编辑 | 匡敏

校对 | 徐行 吴晗

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