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根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization，FAO）的统计，“目前有超过 10 亿公顷的土地受到盐碱的影响”。在这些土地中，大概60%是碱性盐土壤区。这些土壤的 pH 值高，主要由碳酸氢钠（NaHCO 3）以及碳酸钠 （Na 2CO 3）导致。 到 2050 年，世界范围的气候变暖以及淡水缺乏将极大可能波及逾50% 的耕地，造成全球粮食环境紧张的局面。识别或设计耐盐碱的作物是解决这一挑战的当务之急，尽管科学家们对耐盐性进行了广泛的研究，但对植物的耐碱性还没有进行深入的研究。 近日，Science发表了关于作物耐碱性的最新论文，题为《一种Gγ 蛋白调控作物的碱性敏感性》（）[1]。 该论文的通讯作者是中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、中国农业大学教授和华中农业大学欧阳亦聃教授，论文第一作者是中科院遗传与发育生物学研究所博士后张会丽、中国农业大学教授、遗传与发育生物学研究所博士后谢鹏、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。 图丨相关论文（来源：Science） 谈到，该研究符合国家战略发展需求，因此课题组非常积极地在该方向持续探索。另外，坚持也是一个重要的因素，这是一项融合了多学科和多方研究人员的工作，在实施实验的过程中也遇到了各种各样的难题。但是，好在坚持最后收获了突破性的成果。 Science在论文导语中这样介绍：“碱性土壤限制了植物摄取养分和管理盐分压力的能力。该研究现在已经在高粱中发现了一个决定对盐碱地敏感性的基因座，耐碱 1（Alkali Tolerance 1，AT1）基因座编码一个鸟嘌呤核苷酸结合蛋白 G 蛋白的γ 亚基，它调节质膜水通道蛋白的磷酸化，水通道蛋白是可以运输过氧化氢以减轻氧化胁迫的通道。这一研究发现能够更好地管理碱性土壤上的作物的生长，也有助于将数百万公顷的碱性土壤投入到农业种植。” 高粱起源于非洲，即便在恶劣的环境中它也可以生长。因此，与其他作物相比，高粱在适应多种非生物胁迫方面有了更强的耐受性。一些高粱品种可以在pH 值高达 10.0 的钠盐土壤中生存。 该团队用一个由 352 个有代表性的高粱品种组成的大型高粱自然群体，研究小组进行了全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）分析，进而发现了一个主要的基因座，即 AT1 与耐碱显著相关。 从原理来看，AT1编码一个非典型的 G 蛋白 γ 亚基与水稻的 GS3 同源），通过调节环境胁迫下过氧化氢（H2O2）的外流而对碱性敏感性作出贡献。 图丨AT1 的遗传修饰增强植物碱性环境的耐受性（来源：Science） 研究中，他们构建了一对具有两种AT1单倍型的近等基因系（near-isogenic lines，NILs），来评估AT1对高粱耐碱的等位基因效应。他们尝试用这样的方法证实AT1基因座的相关功能。 课题组通过实验发现，相较于野生型全长SbAT1（Hap1），编码 SbAT1截断形式的Sbat1等位基因（Hap2）增加了植物的碱敏感性。结果表明，AT1/GS3在植物耐碱中发挥了负调控的作用。相比之下，AT1/GS3的基因敲除增加了高粱、谷子、水稻和玉米对碱性胁迫的耐受性。 图丨SbAT1在高粱耐碱中的功能（来源：Science） 有关这项研究所发现的高粱耐碱性的生物机制，简单来说，SbAT1编码一个非典型的 G 蛋白 γ 亚基，并抑制水通道蛋白的磷酸化，而水通道蛋白在碱性胁迫下可能被用作 H2O2输出器。 基于这些知识，对AT1同源物进行敲除的基因工程作物或使用天然的无功能等位基因，可以极大地提高碱性盐土地的作物产量，这些发现或有助于最大限度地利用全球盐碱地，以确保粮食安全。 图丨AT1/GS3敲除和自然缺失增强高粱和水稻对盐碱胁迫的抗性（来源：Science） 表示，这个研究的意义主要体现在两个方面。一方面是科学理论上的突破，研究团队发现了一种水通道蛋白，可以将活性氧泵送至细胞外，保护细胞不受损伤。 另一方面，在生产上，实验上通过敲除所发现的AT1基因可以使粮食在产量方面有所上升，让以前不能够种植农作物的盐碱地也能种植粮食，从而为全球粮食安全提供新的解决方案。 关于下一步的研究计划，该团队预计将会在更多的作物中进行相关的实验。据介绍，大豆相关的实验已经开始进行。此外，实验中也发现其它的基因同样具有耐盐碱的能力，之后将会聚合耐盐碱的相关基因，从而实现更强的作物耐盐碱能力。

参考资料：

1.Huili Zhang et al., A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops. Science379, eade8416 (2023). http://doi.org/10.1126/science.ade8416.

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