佛得角群岛拟南芥种质盐胁迫耐受性的平行进化机制及其在作物抗逆育种中的应用

为解决土壤盐渍化对农业生产的威胁，研究人员以佛得角群岛拟南芥（Arabidopsis thaliana）为模型，发现其通过α-糖苷酶家族38基因（GH38cv）突变积累葡萄糖醛酸甘露糖（glucuronyl-mannose），显著提升盐胁迫下的萌发率、根系生长和适应性。该研究揭示了平行进化驱动的盐耐受机制，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

土壤盐渍化正以惊人的速度侵蚀全球耕地，约25%的灌溉农田因此减产。在这片“白色荒漠”中，仅有1%的植物能顽强生存。位于非洲西海岸600公里外的佛得角群岛，其高盐土壤和干旱环境塑造了独特的植物适应性进化实验室。这里生长的拟南芥（Arabidopsis thaliana）Cvi-0种质，早在上世纪90年代就被发现具有特殊的早花性和耐盐性，但其分子机制始终成谜。

来自法国国家农业研究院（INRAE）的研究团队通过创新性的多组学联用策略，揭开了这一进化奇迹的面纱。研究人员首先构建了欧洲标准种Col-0与佛得角群岛种Cvi-0的重组自交系（RIL）群体，结合机器人培养平台Phenoscope和高通量气相色谱-质谱（GC-MS）代谢组学，发现一个未知代谢物U2746在盐胁迫下显著积累。通过精细定位，研究人员将控制该性状的基因锁定为α-糖苷酶家族成员AT3G26720（命名为GH38cv）。

研究团队运用三大关键技术展开攻关：一是基于重组自交系的代谢数量性状位点（QTL）定位，结合异质近交系（HIF）精细定位；二是通过T-DNA插入突变体和回交实验验证基因功能；三是整合335份佛得角群岛拟南芥种质的群体遗传学分析。这些方法揭示了GH38cv通过调控葡萄糖醛酸甘露糖合成影响耐盐性的全新机制。

代谢变异与QTL定位

在Col-0×Cvi-0群体中，研究人员检测到118种代谢物，其中U2746与葡萄糖醛酸呈显著负相关。位于3号染色体的主效QTL解释了两者变异的75%，暗示GH38cv可能通过分解代谢调控这一通路。

GH38cv的功能解析

T-DNA插入突变体实验显示，GH38cv功能缺失导致U2746积累增加10倍。通过酸水解和离子交换色谱，研究人员鉴定U2746为葡萄糖醛酸与甘露糖通过醚键连接的二糖。互补实验证实，Cvi-0等位基因携带的G814D突变（SIFT评分0）完全丧失酶活，而该突变在佛得角群岛Santo Ant?o岛种群中固定频率达100%。

平行进化证据

令人惊叹的是，在相距50公里的Fogo岛种群中，研究人员发现了另一个独立产生的V919fs移码突变。系统发育分析显示，这两个功能缺失突变分别起源于岛屿形成后的不同时期，却殊途同归地提高了盐胁迫下的萌发率（提升40%）和根长（增加2.3倍），构成典型的平行进化案例。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究具有三重突破性意义：首次揭示葡萄糖醛酸甘露糖作为新型渗透调节物质的功能；发现GH38cv在作物耐盐育种中的保守性（小麦同源基因TaPUB1互作）；开创了“自然进化模拟→代谢物挖掘→基因编辑”的作物改良新范式。研究提出的“无损突变”策略（即GH38cv突变仅在高盐下显现优势）尤为珍贵，为应对全球气候变化下的粮食安全挑战提供了精准解决方案。