2023-03-24 10:11:14
3月24日，《科學》和《國家科學評論》雜志發(fā)表中國科學家研究成果，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗團隊與中國農業(yè)大學于菲菲團隊、華中農業(yè)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(yè)生態(tài)研究所、寧夏大學、揚州大學、北京大學現代農業(yè)研究院、山東大學和先正達集團中國十家科研單位及企業(yè)歷時7年協同攻關，在耐鹽堿作物高粱中發(fā)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。
吉林白城高堿部分區(qū)域種上AT1GS3改良過水稻航拍圖
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(fā)利用的潛力。研發(fā)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(qū)，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(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(qū)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(fā)5號”水稻品種，目前在東北地區(qū)廣泛種植，也被證實有鹽堿地栽培優(yōu)勢。
據了解，本次研究是面向我國農業(yè)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(chuàng)新。
“把具備不同優(yōu)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?！敝袊こ淘涸菏?、中國農業(yè)科學院作物科學研究所研究員萬建民說。
中科院遺傳與發(fā)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?！?/p>
“一個基因改變一個產業(yè)，意義非常重大?！敝锌圃涸菏俊⒅锌圃哼z傳與發(fā)育生物學研究研究員李家洋指出，“從基礎研究，到發(fā)現原理，再到應用，大家互相合作，組成一個創(chuàng)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?！?/p>
據了解，AT1基因的發(fā)現及應用研究得到中科院“種子精準設計與創(chuàng)造”戰(zhàn)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(fā)布的成果是在先導專項中的“環(huán)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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