中國(guó)科學(xué)家揭示作物主效耐堿基因 有望大幅提升作物產(chǎn)量
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中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所科研團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、寧夏大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國(guó)8家單位合作,以耐鹽堿作物高粱為材料,首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制。大田實(shí)驗(yàn)證明,該基因可顯著提升高粱、水稻、谷子和玉米等耐鹽堿作物種質(zhì)產(chǎn)量,在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。相關(guān)研究于3月24日發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志。
聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,截至2015年,全球超過(guò)10億公頃鹽漬化土壤因鹽堿程度過(guò)高而不能被有效利用,其中鹽堿化土約占鹽漬化土壤的60%。研究者預(yù)測(cè),如果全球20%鹽堿地利用該基因,可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食,從而提高鹽堿地產(chǎn)能。鹽堿地分為鹽化土壤和鹽堿化土壤兩種主要類型,其中鹽化土壤主要含有NaCl、Na2SO4等中性鹽,pH值接近中性。目前全球在植物耐鹽研究方面方法較成熟且研究力量集中,已取得了很多成果,但對(duì)于植物(作物)耐堿機(jī)制仍了解較少。
鹽堿化土壤主要由Na2CO3或NaHCO3等引起,過(guò)去的研究方法主要利用Na2CO3或NaHCO3來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堿度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在處理過(guò)程中pH值變化大且不穩(wěn)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)難度高,因此研究團(tuán)隊(duì)此次采用了混合堿(Na2CO3:NaHCO3=1:5)穩(wěn)定的pH體系。另外,由于常用的擬南芥等模式植物起源非堿地,適應(yīng)性進(jìn)化耐堿遺傳信息可能存在缺陷,導(dǎo)致相關(guān)研究未有突破。為解決耐堿研究的材料選擇瓶頸問(wèn)題,本研究采用了起源于非洲中部貧瘠土地的高粱作為實(shí)驗(yàn)材料。土壤鹽堿大跨度變化的環(huán)境促使高粱通過(guò)進(jìn)化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。
中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所謝旗、李家洋、汪迎春等領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)與合作者獨(dú)辟蹊徑,首先通過(guò)全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析耐鹽堿差異大的高粱資源,發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效耐堿基因AT1。同時(shí),利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞和作物系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),在高鹽堿脅迫中,AT1通過(guò)調(diào)控水通道蛋白的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)在逆境情況下水通道蛋白的活性,并將逆境導(dǎo)致產(chǎn)生的ROS(活性氧物質(zhì))泵到細(xì)胞外降低過(guò)氧化應(yīng)激,首次揭示了高等生物高抗鹽堿的分子機(jī)制。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)AT1的調(diào)控機(jī)制在主要糧食作物水稻、玉米及小作物谷子中也保守存在。
在重大理論突破基礎(chǔ)上,合作團(tuán)隊(duì)對(duì)高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良,在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)進(jìn)行的大田實(shí)驗(yàn)表明,AT1基因的利用能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%,全株生物量(青貯用)增加近30.5%。研究人員進(jìn)一步將AT1基因用于改善主要禾本科作物水稻、谷子和玉米等的耐鹽堿性,在吉林大安鹽堿地(pH 9.17)的實(shí)驗(yàn)表明不同作物年增產(chǎn)約24.1-27.8%,在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)的實(shí)驗(yàn)表明谷子增產(chǎn)近19.5%,同時(shí)發(fā)現(xiàn)該基因的修飾也能顯著增強(qiáng)玉米在鹽堿地的存活率。
該研究成果得到審稿人的高度評(píng)價(jià),幾位審稿人認(rèn)為:該工作綜合多種優(yōu)化的技術(shù)并在多種植物中揭示耐鹽堿的重大科學(xué)問(wèn)題;發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的禾本科作物保守的生物學(xué)機(jī)制,該遺傳學(xué)機(jī)制揭示了植物界基礎(chǔ)科學(xué)重大問(wèn)題,是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn);該研究涉及多種農(nóng)作物且工作量巨大,目前關(guān)于重要耐堿的位點(diǎn)未被解析,這個(gè)工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破。
除科學(xué)機(jī)制研究的創(chuàng)新外,研究團(tuán)隊(duì)表示,AT1基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景,有望為支撐我國(guó)糧食安全中鹽堿地綜合利用國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)揮重要作用。
該研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委/山東聯(lián)合重點(diǎn)基金的支持。
AT1調(diào)控的鹽堿脅迫響應(yīng)機(jī)制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽堿地上的產(chǎn)量
AT1/GS3敲除和自然缺失增強(qiáng)高粱和水稻對(duì)鹽堿脅迫的抗性。(A)2022年,寧夏平羅縣鹽堿地中(鹽含量0.7%,pH 8.5)SbWT和SbAT1ko的生長(zhǎng)表型。(B)2022年,吉林省大安市鹽堿地中(鹽含量0.26%,pH 9.1)中水稻GS3 NILs的生長(zhǎng)表型。
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