原標題：中國科學家首次發現作物主效耐堿調控基因AT1

來源：農民日報

原標題：中國科學家首次發現作物主效耐堿調控基因AT1

來源：農民日報

本報訊（農民日報·中國農網記者 姚媛）3月24日，《科學》和《國家科學評論》雜志發表中國科學家研究成果，中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗團隊與中國農業大學于菲菲團隊、華中農業大學歐陽亦聃團隊與中國科學院生物物理研究所、中國科學院東北地理與農業生態研究所、寧夏大學、揚州大學、北京大學現代農業研究院、山東大學和先正達集團中國十家科研單位及企業歷時7年協同攻關，在耐鹽堿作物高粱中發現了一個主效耐鹽堿調控基因AT1，并揭示了作物耐鹽堿的分子機制。在取得重大理論突破的基礎上，合作團隊在水稻、小麥、玉米和谷子中開展功能研究。研究表明，對該基因進行操縱，可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等對鹽堿的耐受性，提高其產量和生物量。目前，全世界有6.18億公頃鹽堿地，若在其中20%的中低度鹽堿地種植AT1及其同源基因改造的作物，預計每年將增產糧食約2.5億噸。這一研究成果在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應用前景，將極大地促進世界和我國糧食安全。

聯合國糧農組織調查數據顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃鹽漬化土壤，其中pH值接近中性的鹽化土壤約占40%，pH值較高的鹽堿化土壤約占60%。在中國約有15億畝鹽堿地，約有5億多畝有開發利用的潛力。研發適宜鹽堿地種植的作物品種，一直是國際科學研究的前沿和重點。

目前，全球在植物耐鹽機制的研究已較為成熟，但人們對植物耐堿機制的認識仍有很多不足。當土壤中的pH值上升到一定程度，植物將無法吸收各類元素，慢慢枯萎凋亡。

“常用的擬南芥等模式植物并不是起源于鹽堿地，可能缺乏耐堿的遺傳信息，導致相關研究未有突破。高粱起源于土壤鹽堿度較高的非洲薩赫勒地區，較其他主糧作物對鹽堿脅迫有更好的耐受性，可利用高粱高度豐富的耐堿性遺傳資源挖掘優異耐鹽堿基因。”謝旗領銜的科研團隊與合作者獨辟蹊徑，從世界各地搜集高粱品種，通過全基因組大數據關聯分析，發現了一個主效耐堿調控基因AT1。

為揭示AT1基因調控作物耐堿性的機制，謝旗與中科院生物物理所陳暢研究員、中科院遺傳與發育生物學研究所汪迎春研究員合作，通過細胞生物學、生物化學等學科的研究，發現“水通道蛋白”的調控通路。

當植物細胞受到鹽堿脅迫時，會發生氧化應激反應，產生過氧化氫。當過氧化氫達到一定濃度，就會對細胞產生毒害作用。作物細胞膜上的水通道蛋白PIP2s可以把過量的過氧化氫“泵”到細胞外，從而降低細胞內過氧化氫的濃度，防止細胞損傷。當AT1基因存在時，它控制編碼的G蛋白γ亞基會抑制水通道蛋白PIP2s發揮功能所必需的磷酸化，致使過量過氧化氫不能及時有效“泵”出細胞。因此，改造該基因，可賦予植物較高的耐鹽堿性。

“這是一個全新的通路，我們首次揭示了作物耐鹽堿的分子機制。不僅在主要糧食作物水稻、小麥、玉米、谷子等作物得到驗證，在動物細胞中也證實了有類似的調控機制。”陳暢說。

在取得重大理論突破后，合作團隊對多種作物進行育種改良，開展大田試驗。在寧夏回族自治區石嘴山市羅平縣pH值達9.10的鹽堿地，敲除AT1基因的高粱籽粒增產20.1%，全株生物量（青貯用）增加近30.5%，該基因修飾后的谷子增產19.5%。在吉林省白城市大安縣pH值達9.17的鹽堿地，敲除AT1同源基因的水稻、谷子和玉米年增產22.4%-27.8%。此外，對該基因改造后的玉米，在鹽堿地的存活率也顯著提升。

目前，水稻中已利用自然缺失的AT1/GS3基因培育了系列主栽品種。由建三江綠色超級稻院士工作站培育含改良GS3的“鴻香稻93”水稻品種，在黑龍江省的大田種植中表現出比其他主栽品種更好的鹽堿耐受性，產量也有顯著提高。由李家洋院士團隊培育的含改良GS3基因“中科發5號”水稻品種，目前在東北地區廣泛種植，也被證實有鹽堿地栽培優勢。

據了解，本次研究是面向我國農業生產的重大需求，從基礎研究著手解決實際問題的典型案例，展現了科學研究機制的創新。

“把具備不同優勢的科研人員組織起來，從基礎研究到不同物種的應用，讓我們看到一個新的研究組織形式，這是很值得學習的地方。”中國工程院院士、中國農業科學院作物科學研究所研究員萬建民說。

中科院遺傳與發育生物學研究所原所長陳受宜表示：“希望這一成果能在大豆、油菜等雙子葉植物上得到進一步研究。”

“一個基因改變一個產業，意義非常重大。”中科院院士、中科院遺傳與發育生物學研究研究員李家洋指出，“從基礎研究，到發現原理，再到應用，大家互相合作，組成一個創新的鏈條。應用呼喚技術的合作，技術需要應用的出口，只有把兩者真正組合到一起，相輔相成，科學進步才能更快，更好地服務國家重大經濟社會問題。”

據了解，AT1基因的發現及應用研究得到中科院“種子精準設計與創造”戰略A類先導專項和國家自然科學基金委/山東聯合重點基金的支持。本次發布的成果是在先導專項中的“環境智能響應性狀形成的分子基礎”課題支持下產生的重大突破性成果。

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