2023-03-24 10:11:14
3月24日，《科學(xué)》和《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》雜志發(fā)表中國(guó)科學(xué)家研究成果，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團(tuán)隊(duì)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽(yáng)亦聃團(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、寧夏大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國(guó)十家科研單位及企業(yè)歷時(shí)7年協(xié)同攻關(guān)，在耐鹽堿作物高粱中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主效耐鹽堿調(diào)控基因AT1，并揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制。在取得重大理論突破的基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)在水稻、小麥、玉米和谷子中開(kāi)展功能研究。研究表明，對(duì)該基因進(jìn)行操縱，可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等對(duì)鹽堿的耐受性，提高其產(chǎn)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(yù)計(jì)每年將增產(chǎn)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(yīng)用前景，將極大地促進(jìn)世界和我國(guó)糧食安全。
吉林白城高堿部分區(qū)域種上AT1GS3改良過(guò)水稻航拍圖
聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過(guò)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(guó)約有15億畝鹽堿地，約有5億多畝有開(kāi)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(guó)際科學(xué)研究的前沿和重點(diǎn)。
目前，全球在植物耐鹽機(jī)制的研究已較為成熟，但人們對(duì)植物耐堿機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有很多不足。當(dāng)土壤中的pH值上升到一定程度，植物將無(wú)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(dǎo)致相關(guān)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(duì)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?！敝x旗領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)與合作者獨(dú)辟蹊徑，從世界各地搜集高粱品種，通過(guò)全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主效耐堿調(diào)控基因AT1。為揭示AT1基因調(diào)控作物耐堿性的機(jī)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(xué)研究所汪迎春研究員合作，通過(guò)細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科的研究，發(fā)現(xiàn)“水通道蛋白”的調(diào)控通路。
當(dāng)植物細(xì)胞受到鹽堿脅迫時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生過(guò)氧化氫。當(dāng)過(guò)氧化氫達(dá)到一定濃度，就會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。作物細(xì)胞膜上的水通道蛋白PIP2s可以把過(guò)量的過(guò)氧化氫“泵”到細(xì)胞外，從而降低細(xì)胞內(nèi)過(guò)氧化氫的濃度，防止細(xì)胞損傷。當(dāng)AT1基因存在時(shí)，它控制編碼的G蛋白γ亞基會(huì)抑制水通道蛋白PIP2s發(fā)揮功能所必需的磷酸化，致使過(guò)量過(guò)氧化氫不能及時(shí)有效“泵”出細(xì)胞。因此，改造該基因，可賦予植物較高的耐鹽堿性。
“這是一個(gè)全新的通路，我們首次揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制。不僅在主要糧食作物水稻、小麥、玉米、谷子等作物得到驗(yàn)證，在動(dòng)物細(xì)胞中也證實(shí)了有類似的調(diào)控機(jī)制?！标悤痴f(shuō)。
在取得重大理論突破后，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)多種作物進(jìn)行育種改良，開(kāi)展大田試驗(yàn)。在寧夏回族自治區(qū)石嘴山市羅平縣pH值達(dá)9.10的鹽堿地，敲除AT1基因的高粱籽粒增產(chǎn)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(chǎn)19.5%。在吉林省白城市大安縣pH值達(dá)9.17的鹽堿地，敲除AT1同源基因的水稻、谷子和玉米年增產(chǎn)22.4%-27.8%。此外，對(duì)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(jí)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(xiàn)出比其他主栽品種更好的鹽堿耐受性，產(chǎn)量也有顯著提高。由李家洋院士團(tuán)隊(duì)培育的含改良GS3基因“中科發(fā)5號(hào)”水稻品種，目前在東北地區(qū)廣泛種植，也被證實(shí)有鹽堿地栽培優(yōu)勢(shì)。
據(jù)了解，本次研究是面向我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，從基礎(chǔ)研究著手解決實(shí)際問(wèn)題的典型案例，展現(xiàn)了科學(xué)研究機(jī)制的創(chuàng)新。
“把具備不同優(yōu)勢(shì)的科研人員組織起來(lái)，從基礎(chǔ)研究到不同物種的應(yīng)用，讓我們看到一個(gè)新的研究組織形式，這是很值得學(xué)習(xí)的地方?！敝袊?guó)工程院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員萬(wàn)建民說(shuō)。
中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所原所長(zhǎng)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(jìn)一步研究?！?/p>
“一個(gè)基因改變一個(gè)產(chǎn)業(yè)，意義非常重大。”中科院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究研究員李家洋指出，“從基礎(chǔ)研究，到發(fā)現(xiàn)原理，再到應(yīng)用，大家互相合作，組成一個(gè)創(chuàng)新的鏈條。應(yīng)用呼喚技術(shù)的合作，技術(shù)需要應(yīng)用的出口，只有把兩者真正組合到一起，相輔相成，科學(xué)進(jìn)步才能更快，更好地服務(wù)國(guó)家重大經(jīng)濟(jì)社會(huì)問(wèn)題?！?/p>
據(jù)了解，AT1基因的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用研究得到中科院“種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造”戰(zhàn)略A類先導(dǎo)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。本次發(fā)布的成果是在先導(dǎo)專項(xiàng)中的“環(huán)境智能響應(yīng)性狀形成的分子基礎(chǔ)”課題支持下產(chǎn)生的重大突破性成果。
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