aBIOTECH | 日本冈山大学马建锋评述：基因编辑主效耐盐碱基因AT1提高作物耐盐碱性

随着世界人口的不断增加，迫切需要提高农作物产量，来满足人类对粮食的需求。在土地面积有限的情况下，提高作物在边际土地的产量成为关键。全球约有10亿公顷盐碱地，碱性土地约占60%，而目前我们对于植物如何耐盐有比较深入的了解，而对植物耐碱胁迫应答的研究严重不足，严重阻碍了利用现代分子育种技术培育耐盐碱作物的进程。碱性土壤富含碳酸钠和碳酸氢钠等成分，造成碱土的高pH，严重影响作物的正常生长，造成减产。因此，认识作物如何耐碱胁迫，提升作物在盐碱地的产量，对解决全球粮食安全问题具有重要意义。

近日，日本冈山大学马建锋团队在aBIOTECH发表了题为“Knockout of a gene encoding aGγ protein boosts alkaline tolerance in cereal crops”（点击题目或图片阅读全文）的热点评述，对近期中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队发表在Science的提高作物耐盐碱性研究进行了评述。

高粱起源于非洲，与其他作物相比，具有更强的耐盐碱性。谢旗团队利用高粱种质资源群体，通过全基因组关联分析定位并克隆到一个与高粱耐碱性显著相关的主效基因SbAT1。SbAT1基因编码异源三聚体G的γ亚基（Gγ），其在水稻中的同源基因GS3控制水稻粒型。通过基因编辑技术敲除SbAT1，高粱耐碱性显著提高。通过进一步的深入研究解析了AT1调控作物耐盐碱性的分子机制。鉴定到与SbAT1互作的水通道蛋白SbPIP2;1/2;2，并发现SbPIP2;1可通过促进细胞内过氧化氢的外排，减轻活性氧对细胞的损伤；而SbAT1通过抑制SbPIP2蛋白的磷酸化水平，影响细胞中活性氧水平，进而影响作物耐碱性（图1）。

Fig. 1 Scheme for AT1- mediated alkaline tolerance in cereal crops.

AT1/GS3对碱胁迫耐性的调控作用在其它作物包括水稻、小麦、玉米和谷子中高度保守。盐碱地大田实验数据表明，通过改造AT1基因均可有效提高高粱、水稻和谷子中的生物量或产量20%-30%，并可有效提高玉米在盐碱地的存活率。

在盐碱地，作物生产受到低营养吸收效率（高PH）因子限制。在盐碱胁迫下，研究鉴定参与养分吸收和利用的主效基因，是未来研究的方向。因此，将这些基因和AT1聚合在一起提供了一种作物改良策略。该项研究成果不仅揭示了植物耐碱胁迫的分子机理，也为未来分子设计耐盐碱作物育种提供了参考，有望将为解决我国和世界粮食安全危机和盐碱地高效利用做出贡献。

作者简介

马建锋，日本冈山大学资源植物研究所教授。1984年本科毕业于南京农业大学，1991年博士毕业于日本京都大学，1991-1995年在日本三得利生物有机科学研究所任特别研究员，1995-1999年日本冈山大学助理教授，1999-2005年日本香川大学副教授，2006年起任冈山大学教授。长期从事植物养分胁迫和毒害的机理研究（如Fe, Si, Al, As, Cd等），并取得系列重要研究成果。先后在Nature, Nature Communications, PNAS等国际知名期刊发表论文200余篇。

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