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土壤盐渍化严重威胁全球农业生产，为探究作物耐盐机制，中国农业大学等机构研究人员开展了玉米耐盐相关研究。结果发现 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 通过激活 ZmHAK4 促进玉米地上部 Na+外排和耐盐性。该研究为培育耐盐玉米提供了理论依据和遗传靶点。
在广袤的农田里，土壤盐渍化就像一场悄无声息的灾难，正严重威胁着全球的农业生产。目前，全球超过 4500 万公顷的灌溉土地受到盐渍化影响，并且随着全球气候变暖、极端天气频发以及不合理灌溉，盐渍化土地面积还在不断扩大。而大多数作物对盐胁迫敏感，这使得土壤盐渍化成为了阻碍全球农业可持续发展和粮食供应的重大难题。在这样的背景下，深入了解作物的耐盐机制，培育耐盐作物品种迫在眉睫。一方面，这能够维持盐渍化农田的农业生产；另一方面，还能助力开发未利用的盐渍化荒地，增加可利用耕地资源。
中国农业大学等多机构的研究人员针对这一难题展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。他们发现了一个关键的 ZmSnRK2-HAK 调控模块，该模块在玉米耐盐性中发挥着重要作用，为培育耐盐玉米提供了新的理论依据和遗传靶点。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因编辑技术，利用 CRISPR/Cas9 构建玉米突变体，用于研究基因功能；二是基因表达分析技术，通过 qRT-PCR 检测基因转录水平变化；三是蛋白互作研究技术，运用酵母双杂交、pull-down 和荧光素酶互补成像（LCI）等实验，探究蛋白之间的相互作用；四是离子含量测定技术，用于测量植物组织和木质部汁液中的 Na+、K+和 Cl-等离子含量；五是全基因组关联研究（GWAS），分析基因变异与表型之间的关系。
ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 正向调控玉米耐盐性
研究人员分析了 1000 个玉米突变体的盐胁迫表型，发现缺失 ZmSnRK2.10 基因的突变体对盐胁迫更敏感，在盐处理下植株生物量显著低于野生型。通过系统发育分析发现 ZmSnRK2.9 与 ZmSnRK2.10 高度同源，进一步构建 ZmSnRK2.9 单突变体和 ZmSnRK2.9/ZmSnRK2.10 双突变体，结果显示双突变体对盐胁迫更为敏感，表明 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 在促进玉米耐盐性方面存在冗余作用，且 ZmSnRK2.10 的作用更为关键。
ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 激酶活性在盐胁迫下增强
研究人员分析 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 在盐胁迫下的转录水平、蛋白丰度和激酶活性变化。结果发现，盐处理前后，它们在根和地上部组织中的转录水平以及蛋白丰度均无明显变化，但盐处理 2 小时可显著增强其激酶活性，这表明 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 可能通过激活下游靶点来增强玉米耐盐性。
ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 促进地上部 Na+外排
分析野生型、ZmSnRK2.9 突变体、ZmSnRK2.10 突变体和双突变体在盐处理下根、地上部组织以及木质部汁液中的离子含量。结果表明，ZmSnRK2.10 突变体和双突变体地上部 Na+含量显著增加，K+含量降低，Na+/K+比值升高，而根中 Na+含量减少，这说明 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 主要通过阻止 Na+从根向地上部转运，维持地上部 Na+/K+稳态，从而促进地上部 Na+外排，增强玉米耐盐性。
ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 与 ZmHAK4 的 N 端相互作用
研究人员发现 ZmHAK4 主要在根中柱表达，且 ZmSnRK2.10 和 ZmSnRK2.9 也在该组织高表达，且它们与定位在质膜上的 AtCBL1-OFP 共定位，为其磷酸化 ZmHAK4 提供了可能。通过酵母双杂交、pull-down 和 LCI 实验证实，ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 仅与 ZmHAK4 的 N 端相互作用，这表明它们可能通过调节 ZmHAK4 的活性来调控 Na+运输。
ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 磷酸化 ZmHAK4 并提高其 Na+运输活性
体外激酶实验表明，ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 能够磷酸化 ZmHAK4，且确定了 ZmHAK4 N 端的丝氨酸残基 S5 是重要的磷酸化位点。盐处理可增强 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 对 ZmHAK4 的磷酸化作用。在 Na+外排缺陷的酵母菌株中表达 ZmHAK4、ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10，结果显示共表达 ZmSnRK2.9 或 ZmSnRK2.10 可增加酵母细胞内 Na+积累，表明 ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 通过磷酸化 ZmHAK4 的 S5 残基，增强其 Na+运输活性。
ZmSnRK2.10 通过调节 ZmHAK4 活性促进地上部 Na+外排
构建 ZmSnRK2.10crispr-1ZmHAK4crispr-1双突变体，分析其在盐处理下的表型和离子含量。结果显示，双突变体的盐敏感表型与 ZmSnRK2.10crispr-1相似，且各突变体地上部和木质部汁液中 Na+含量增加，K+含量减少，根中 Na+含量降低，K+含量增加，这表明 ZmHAK4 位于 ZmSnRK2.10 下游，ZmSnRK2.10 通过调节 ZmHAK4 活性来调控 Na+运输，进而促进地上部 Na+外排。
20-bp 缺失降低 ZmSnRK2.10 转录水平并增加地上部 Na+含量
对 162 个玉米自交系进行转录组测序和 eGWAS 分析，发现 ZmSnRK2.10 转录水平的自然变异与地上部 Na+含量相关。进一步对 105 个自交系中 ZmSnRK2.10 基因区域进行测序和关联分析，确定了一个 20-bp 缺失（Del-356）与 ZmSnRK2.10 转录水平降低密切相关。通过构建不同启动子突变体，发现该缺失可降低 ZmSnRK2.10 启动子活性。在盐胁迫下，携带 Del-356 的玉米自交系中 ZmHAK4 的磷酸化水平降低，地上部 Na+含量增加，耐盐性下降，说明 Del-356 通过影响 ZmSnRK2.10 转录水平，减少盐诱导的 ZmHAK4 磷酸化，进而增加地上部 Na+含量。
有利的 ZmSnRK2.10 等位基因促进地上部 Na+外排
以携带不同 ZmSnRK2.10 等位基因的郑 58 和 E588 为亲本构建 F2 分离群体，分析 F2 个体的基因型和地上部 Na+含量。结果显示，携带纯合有利 ZmSnRK2.10 等位基因的个体地上部 Na+含量显著低于携带不利等位基因的个体，杂合个体的 Na+含量介于两者之间，表明有利的 ZmSnRK2.10 等位基因可促进盐胁迫下地上部 Na+外排，为培育耐盐玉米品种提供了有价值的遗传资源。
研究结论表明，ZmSnRK2.9/ZmSnRK2.10-ZmHAK4 模块正向调控玉米耐盐性。在盐胁迫下，ZmSnRK2.9 和 ZmSnRK2.10 激酶活性增强，磷酸化激活 ZmHAK4，促进地上部 Na+外排，提高玉米耐盐性。而 ZmSnRK2.10 启动子中的 20-bp 缺失导致其转录水平降低，ZmHAK4 激活不足，地上部 Na+外排减少，耐盐性下降。
这项研究具有重要意义，不仅揭示了玉米耐盐性的分子机制，还为玉米耐盐育种提供了关键的遗传靶点。通过利用 ZmHAK4 和 ZmSnRK2.10 的有利等位基因，有望协同增强 ZmHAK4 的转录和转录后激活，加速耐盐玉米品种的培育，为应对土壤盐渍化挑战、保障全球粮食安全提供有力支持。
