文章信息
文章题目：A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops
期刊：Science
发表时间：2023年3月24日
主要内容：中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队和华中农业大学欧阳亦聃团队联合8家科研单位合作，在Science杂志上发表了文章 A Gγprotein regulates alkaline sensitivity in crops，该研究发现了一个重要的耐盐碱调控基因AT1（Alkali tolerance 1），通过对该基因的操纵，可以显著提高多种作物的盐碱耐受性，并揭示了AT1通过调节细胞中的活性氧（ROS）水平来参与碱胁迫响应的分子机理。
原文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8416
使用TransGen产品：
TransScript® II Reverse Transcriptase[M-MLV,RNaseH-]（High Temperature RT）(AH101)
TransStart® Green qPCR SuperMix UDG (AQ111)
研究背景
伴随人口的快速增加、人均可用耕地和淡水资源越来越少，预计到2050年全球农作物产量需要翻番才能满足人类粮食的需求。根据联合国粮农组织的调查数据显示，目前全球有超过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，并且不合理的施肥灌溉将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。因此，通过培育耐盐碱农作物，提高盐渍化土地产能，是解决未来人类粮食安全和农业发展的重要途径。盐渍化土地分为中性pH的盐地（富含氯化钠和硫酸钠）和高pH的苏打盐碱地（富含碳酸钠和碳酸氢钠，约占60%）。目前我们对于植物耐盐机制的研究已较为成熟，但是对植物耐碱机制的认识仍有严重不足。
高粱作为世界第五大作物，起源于非洲，是世界上最早被栽培的农作物之一，较其他主粮作物对盐碱胁迫有更好的耐受性，迄今为止仍然是世界干旱和半干旱地区的主要粮食来源。高粱属禾本科，基因组小且种质资源丰富，因此可被作为理想的挖掘耐盐碱基因资源的模式作物。
文章概述
谢旗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。单倍型分析发现AT1基因内存在一个发生移码突变的自然变异与耐盐碱性状变异呈极显著相关。构建高粱AT1过表达、基因编辑和近等基因系等遗传材料并进行耐盐碱表型分析，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负调控碱胁迫耐受性的作用在其它禾本科作物包括水稻、谷子和玉米中都是高度保守的。进一步研究发现敲除小麦中的AT1基因同样增强其耐盐碱性。
为揭示AT1调控植物碱胁迫响应的分子机制，利用免疫共沉淀联合LC-MS蛋白质谱的方法鉴定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，并证实它们在植物体内体外均存在相互作用。利用pH不敏感的H2O2特异性荧光探针Cyto-roGFP2-Orp1进行实验，发现在盐碱胁迫环境下，PIP2;1促进过氧化氢（H2O2）外排以减轻碱胁迫对细胞带来损伤。进一步研究发现，在盐碱处理下，AT1/GS3通过抑制PIP2;1蛋白的磷酸化水平影响细胞中活性氧水平。因此，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此毒害，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改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了约20-30%的产量和生物量。
综上，该研究鉴定了一个控制禾本科作物（包括水稻、玉米、小麦、高粱和谷子）负调控耐碱性的关键因子AT1，解析了它通过影响水通道蛋白PIP2的磷酸化来调节H2O2的分布，进而维持ROS稳态和减轻碱胁迫对植物的伤害的分子机制。基于这一发现，通过设计AT1基因可以显著提高盐碱地作物的存活率、产量和生物量。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提供理论指导。
Gγ亚基编码基因AT1介导植物对碱胁迫的响应机制
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TransScript® II Reverse Transcriptase[M-MLV,RNaseH-]（High Temperature RT）（AH101）
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• 无RNase H活性，避免了第一链cDNA合成反应中DNA/RNA杂交体中模板RNA被降解，从而保证第一链cDNA合成量和长度。
• 合成片段≤15 kb。
TransStart® Green qPCR SuperMix UDG（AQ111）
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使用TransScript® II Reverse Transcriptase[M-MLV,RNaseH-]（High Temperature RT）（AH101）产品发表的部分文章：
• Zhang H L, Yu F F, Xie P, et al. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops [J]. Science, 2023.
使用TransStart® Green qPCR SuperMix UDG（AQ111）产品发表的部分文章：
• Zhang H L, Yu F F, Xie P, et al. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops [J]. Science, 2023.
• Zhang Y, Gao Y, Wang H L, et al. Verticillium dahliae secretory effector PevD1 induces leaf senescence by promoting ORE1-mediated ethylene biosynthesis[J]. Molecular plant, 2021.
• Zhang Y, Gao Y, Liang Y, et al. Verticillium dahliae PevD1, an Alt a 1-like protein, targets cotton PR5-like protein and promotes fungal infection[J]. Journal of experimental botany, 2019.
