图 Gγ亚基编码基因AT1介导植物对碱胁迫的响应机制
在国家自然科学基金项目（批准号：U1906204）等资助下，经过多年探索，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队与中国农业大学于菲菲团队、华中农业大学欧阳亦聃团队联合十家科研单位合作，以耐盐碱作物高粱为材料首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。研究成果以“揭示一个调控作物碱敏感性的主效蛋白- Gγ（A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops）”为题，于2023年3月24日在线发表于《科学》(Science)。论文链接：https://doi.org/10.1126/science.ade8416。
全球有超过10亿公顷的盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用，且不合理的施肥灌溉将会进一步加剧盐碱地面积的扩张，土壤盐渍化问题已经成为世界性难题。研究团队利用高粱资源群体，通过全基因组关联分析首先定位克隆到一个与高粱耐碱性显著相关的主效位点，命名为AT1，其编码一个异源三聚体G蛋白γ亚基（Gγ），与水稻的粒形调控基因GS3同源，并发现AT1在高粱碱胁迫的响应过程中起负调控作用。同时，发现AT1/GS3改造后提高植物耐盐碱性的作用在禾本科作物包括水稻、玉米和谷子中都是保守的。
通过分子生物学、生物化学及细胞生物学等多方面进一步揭示了AT1调控植物碱胁迫响应的分子机制：在碱胁迫条件下，AT1可能通过减弱PIP2;1的磷酸化来调节植物细胞中的ROS稳态，植物进而表现出碱敏感的表型；改造该基因则可缓解ROS对细胞的损伤，赋予植物高耐盐碱性。为进一步检验AT1基因的改造对作物在耐盐碱地上产量的影响，在吉林大安和宁夏平罗盐碱地进行了大田实验，发现基于耐盐碱等位基因AT1/GS3改良的高粱、水稻、玉米和谷子均有效提高了约20-30%的产量或生物量。因此，未来将该基因用于分子设计耐盐碱作物的育种遗传改良中，将为解决全球粮食安全危机和高效利用盐碱土地做出贡献。