2024年4月12日，Science Advances 在线发表了中国农业大学农学院小麦研究中心题为“The potassium transporter TaNHX2 interacts with TaGAD1 to promote drought tolerance via modulating stomatal aperture in wheat”的研究论文，该研究揭示了定位于液泡膜的K+/H+转运蛋白TaNHX2调控小麦抗旱性的新机制，系统解析了TaNHX2蛋白通过与谷氨酸脱羧酶TaGAD1互作，解除TaGAD1自我抑制，促进GABA(γ-氨基丁酸)积累，从而灵活调控气孔运动提高抗旱性的分子机制，为小麦抗旱性遗传改良提供了新思路和重要基因资源。
小麦是世界范围内主要粮食作物之一，也是我国重要的口粮作物。小麦的持续增产和稳产是确保国家“口粮绝对安全”的重大战略需求，而干旱是影响小麦生产的主要非生物逆境之一，严重制约着小麦产量。因此，挖掘和鉴定小麦抗旱关键基因，深入揭示其调控抗旱性的分子基础和遗传网络，可进一步拓展和深化对小麦抗旱应答及遗传调控机理的认识，对抗旱高产小麦新品种设计和培育也具有重要指导作用和实践应用价值。
研究者鉴定到一个定位于小麦细胞内液泡膜上的K+/H+转运蛋白TaNHX2，其受旱胁迫诱导上调表达。通过对敲除以及超表达材料抗旱性表型鉴定，证实TaNHX2能够显著提高小麦抗旱性，进一步发现其对小麦根系生长发育无显著影响，主要通过影响旱胁迫下叶片失水率参与小麦抗旱性调控。气孔作为植物控制水分散失的“守门员”，在抗旱性中扮演着至关重要的角色。因此，作者对不同转基因株系在旱胁迫下的气孔调控表现展开研究，发现TaNHX2通过干旱胁迫下积极调控气孔的关闭来减少水分散失，进而提高小麦水分利用效率，增强抗旱性。
作者进一步筛选到一个与TaNHX2互作且定位于胞质的蛋白TaGAD1，该基因编码谷氨酸脱羧酶，是GABA合成的关键酶。GABA是一种不参与蛋白质合成的氨基酸小分子，在动物中，GABA被证实是重要的传递神经信号的分子，它能通过其受体使神经细胞发生极化。有研究表明，GABA参与植物多种逆境响应，在植物气孔调节中也发挥着重要作用，然而目前对其调控机制还不清楚。作者对TaNHX2不同转基因株系旱胁迫下的GABA含量及GAD酶活进行测定，结果显示，超表达株系的GAD酶活及GABA积累量更高，敲除株系反之。此外，作者发现外源喷施GABA可以有效恢复tanhx2突变体在旱胁迫下的气孔缺陷表型提高抗旱性。为了进一步解析分子机制，作者通过分段互作及酶活测定实验揭示了TaNHX2通过其朝向胞质侧的末端结构域与谷氨酸脱羧酶TaGAD1自抑制结构域互作，解除TaGAD1活性抑制，进而促进GABA的积累，从而灵活调控气孔运动抵御旱胁迫的分子机制。此外，通过对TaGAD1敲除株系表型鉴定，同样证实了其在小麦抗旱性中发挥积极作用。尤其是，大田抗旱性试验发现TaNHX2能够有效提升小麦在旱胁迫下的产量，且对其他重要农艺性状没有负效应，表明TaNHX2-TaGAD1调控的GABA合成途径在小麦协同调控生长发育和抵御水分胁迫过程中起了重要作用，为小麦抗逆高产协同改良提供了关键基因资源。
该研究解析了TaNHX2-TaGAD1调控小麦抗旱性的分子模块，首次揭示了TaNHX2蛋白除离子转运功能之外，通过与谷氨酸脱羧酶互作并调控其活性，进而通过调节GABA合成提高小麦抗旱性的新机制，拓展和深化了对小麦抗旱应答及遗传调控机理的认识，同时发掘了GABA在作物抗旱遗传改良和育种中的应用潜力。研究结果为深入理解小麦抗旱高产性状协同改良的分子机制提供了重要线索，为抗旱稳产小麦新品种设计和培育提供了新的理论基础和技术思路。
中国农业大学农学院小麦研究中心博士研究生 李金鹏，已毕业博士 刘星贝 和博士研究生 苌淑敏 为论文共同第一作者，小麦研究中心 胡兆荣 教授与河南大学 龙雨 教授为该论文的共同通讯作者。小麦研究中心 孙其信 院士、倪中福 教授、彭惠茹 教授、姚颖垠 教授、辛明明 教授、郭伟龙 副教授对该工作进行了指导和帮助。小麦研究中心博士研究生 褚蔚、林靖辰 以及河南大学龙雨课题组的研究生 周慧、胡卓冉、研究助理 张满仓 参与了此项研究工作。感谢天津农学院 谢晓东 研究员和中国农业大学园艺学院 何俊娜 副教授提供的技术支持与帮助。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFF1001604)、国家自然科学基金(32130078，32072001)、分子设计育种前沿科学中心(2023TC200)和中国农业大学“2115人才培育计划”的资助。
孙其信 院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。团队获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文80余篇。
藏粮于地、藏粮于技，作物科学是农业发展的关键。为促进作物领域科技创新进展交流，加强创新人才培养，弘扬学科优秀文化，推动现代农业高质量发展，在国内兄弟单位大力支持下，中国农业大学农学院牵头创立“作物科学联盟”公众号，旨在搭建作物科学领域创新思想的交流平台，弘扬科学家精神，传播科技兴农的新理念、新技术、新产品，引领全国作物学学科的创新与发展。
