10家科研單位協同攻關，兩篇重要論文齊發，首次發現一個重要的耐鹽鹼調控基因，對農作物培育育種和高效利用鹽鹼土地有重要意義！
Gγ亞基編碼基因AT1介導植物對鹼脅迫的響應機制。
據中國科學院遺傳與發育生物學研究所官網消息，該所謝旗團隊與合作人員聯合攻關，發現了耐鹼性基因，在高粱中命名為AT1，與水稻的粒形調控基因GS3同源。
研究團隊對水稻、玉米、小麥、穀子和高粱等作物的上述基因進行改造，並進行了大田實驗。研究發現，基於耐鹽鹼等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和穀子均有效提高了約20-30%的產量和生物量。
上述研究成果於3月24日先後在線發表在國際學術期刊《科學》（Science）（DOI:10.1126/science.ade8416）和《國家科學評論》（National Science Review）（DOI:10.1093/nsr/nwad075）上。
相關研究由中科院遺傳發育所謝旗團隊領銜，與中國農業大學、華中農業大學、中科院生物物理研究所、北京大學現代農業研究院、山東大學、寧夏大學、中科院東北地理所、揚州大學等9家科研單位協同攻關完成。
澎湃科技從研究團隊獲悉，此前研究人員關於耐鹽的研究相對較多，但關於耐鹼的研究少之又少。而且鹽鹼地又主要分為兩種類型：中性鹽和鹼性鹽，鹼性鹽鹼地（高pH的蘇打鹽鹼地）的「攻克」難度比中性pH的鹽地的「攻克」難度更大。此前，人們發現過GS3基因，但是為了控制水稻的粒形，沒想過它能調控作物的耐鹽鹼性。為什麼AT1/GS3基因能影響作物是否耐鹽鹼？它能影響水通道蛋白的磷酸化，從而調控細胞內過氧化氫的水平，進而影響細胞的命運。
隨著人口的快速增加，人均可用耕地和淡水資源的日益減少，到2050年，全球農作物產量需要翻倍才能滿足人類糧食的需求。
土壤鹽漬化問題已經成為世界性難題。據聯合國糧農組織的調查數據顯示，截至到2015年，全球有超過10億公頃的鹽漬化土壤因鹽鹼程度過高而不能被有效利用，其中鹽鹼化土約占鹽漬化土壤的60%。且不合理的施肥灌溉將會進一步加劇鹽鹼地面積的擴張。
因此，通過培育耐鹽鹼農作物，提高鹽漬化土地產能，是解決未來人類糧食安全和農業發展的重要途徑。鹽漬化土地分為中性pH的鹽地（富含氯化鈉和硫酸鈉）和高pH的蘇打鹽鹼地（富含碳酸鈉和碳酸氫鈉，約占60%）。目前我們對於植物耐鹽性有較深入認識，但是對植物耐鹼脅迫環境的認識嚴重不足。
高粱作為世界第五大作物，起源於非洲，是世界上最早被栽培的農作物之一。高粱具有很強的耐鹽鹼、耐乾旱和耐土壤貧瘠的能力，迄今為止仍然是世界乾旱和半乾旱地區的主要糧食來源。高粱屬禾本科，基因組小且種質資源豐富，因此可被作為理想的挖掘耐鹽鹼基因資源的模式作物。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗團隊利用高粱資源群體，通過全基因組關聯分析首先定位克隆到一個與高粱耐鹼性顯著相關的主效位點，命名為AT1，其編碼一個異源三聚體G蛋白γ亞基（Gγ），與水稻的粒形調控基因GS3同源。單倍型分析發現AT1基因內存在一個發生移碼突變的自然變異與耐鹽鹼性狀變異呈極顯著相關。構建高粱AT1過表達、基因編輯和近等基因系等遺傳材料並進行耐鹽鹼表型分析，發現AT1在高粱鹼脅迫的響應過程中起負調控作用。同時，發現AT1/GS3負調控鹼脅迫耐受性的作用在其它禾本科作物包括水稻、玉米、小麥和穀子中都是高度保守的。
為揭示AT1調控植物鹼脅迫響應的分子機制，利用免疫共沉澱聯合LC-MS蛋白質譜的方法鑑定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，並證實AT1與它們在植物體內體外均存在相互作用。利用pH不敏感的H2O2特異性螢光探針Cyto-roGFP2-Orp1進行實驗，發現在鹽鹼脅迫環境下，PIP2;1促進過氧化氫（H2O2）外排以減輕鹼脅迫對細胞帶來損傷，AT1/GS3通過抑制PIP2;1蛋白的磷酸化水平影響細胞中活性氧水平。因此，在鹼脅迫條件下，AT1可能通過減弱PIP2;1的磷酸化來調節植物細胞中的ROS穩態，植物進而表現出鹼敏感的表型；改造該基因則可緩解此毒害，賦予植物高耐鹽鹼性。
研究者預測，如果全球20%鹽鹼地利用上述基因相關研究成果，可每年為全球增產至少2.5億噸糧食。
該工作從高粱起步擴展到主要糧食作物中是實驗室植物耐逆方向上的一直堅持。另外，在過去幾年利用高粱解析了作物中多個科學問題，如鳥挑食的科學機制（Mol. Plant, 2019a）和作物種子包殼的進化機制（Nat. Commun., 2022）；甜高粱和邊際土地可持續利用（Mol. Plant, 2019b）和第一個基因編輯創製的香高粱（JIPB, 2022）及6個國審品種在全國推廣超過50萬畝等工作在基礎理論到應用方面得到驗證。
該研究得到國家自然科學基金委、中國科學院重點戰略重點項目、寧夏農業育種專項和中國科學院青年創新促進會等項目的資助。