根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，目前有超过10亿公顷的土地受到盐分的影响。其中，约60%被归类为钠质土壤区域。这些具有较高的pH值，主要由碳酸氢钠（NaHCO3）和碳酸钠（Na2CO3）组成。到2050年，全球变暖和淡水短缺的影响将导致50%以上的可耕地受到盐分的影响，从而严重影响世界粮食安全。识别和改造耐碱作物对于解决这一挑战至关重要。尽管耐盐性已经得到了广泛的研究，但植物的耐碱性还没有得到深入的研究。

高粱原产于非洲，可在恶劣的环境中生长。因此，与其他作物相比，高粱已经进化出更大的耐受性，以适应多种非生物胁迫。一些高粱品种可以在pH值高达10.0的碱性土壤中存活。对由352个代表性高粱品种组成的大型高粱关联小组进行了全基因组关联研究（GWAS）分析。检测到一个与碱耐受性相关的主效位点，即AT1。我们发现，编码非典型G蛋白γ亚基（水稻GS3同源物）的AT1通过调节环境胁迫下过氧化氢（H2O2）的流出，有助于提高碱性敏感性。

高粱对碱性土壤具有特殊的耐受性，一些品种可以在pH值高达10.0的环境中存活。为了模拟田间盐碱土壤中可能存在的各种盐碱条件，首先测试了两种碱性盐（NaHCO3和Na2CO3）的不同浓度混合物，并测量了它们对高粱幼苗存活率的影响。使用碱金属盐的混合物，因为它在整个处理过程中应该产生相对稳定的pH范围。根据种子可用性，对16个选定的高粱品种进行了不同时间段的处理。对相对存活率（胁迫处理下的存活率与未受胁迫处理的存活率之比）的分析表明，在处理21天后，75 mM浓度的混合碱盐（62.5 mM NaHCO3和12.5 mM Na2CO3；pH=9.2至9.4）的存活率变化范围最大，是评估高粱耐碱性的最可靠处理。然后评估了由352个代表性高粱品种组成的大型高粱协会小组的相对存活率，观察到约22%的高粱品种对碱性条件表现出高度耐受性，相对存活率达到80%以上，而约13%的高粱品种对碱性表现出高度敏感性，相对生存率不超过20%。高粱群体相对存活率表型的频率分布表明，相对存活率可能是遗传关联分析的有效指标。

使用上述相对存活率表型数据和该小组的单核苷酸多态性（SNP）基因型数据集进行了GWAS，并确定了与耐碱性相关的两个主要基因座（P<1.0×10−5），这两个基因座都位于1号染色体的长臂上（图1A）。发现了一个位于注释基因Sobic.001G341700内的领先SNP（S1_55779338），它被命名为碱性耐受1（SbAT1）（图1B）。预测SbAT1编码一个长度为198个氨基酸的非典型G蛋白γ亚基，该亚基在N末端包括一个Gγ样结构域，在C末端包含一个富含半胱氨酸的结构域。SbAT1与水稻中的OsGS3具有55.56%的蛋白质序列同一性，与玉米中的ZmGS3具有82.30%的蛋白质序列同源性。为了验证SbAT1的序列多态性是否与高粱的耐碱性相关，对37个不同耐碱性高粱品种的SbAT1cDNA区域进行了测序。共发现29个序列变异位点，其中5个在75 mM碱处理中显示出自然变异与相对存活率之间的强关联信号（P=0.0×10−3至1.0×10−5）。LD分析还表明，五个主要关联信号（位于+3863、+4151、+4157、+4438和+4463）可归因于高LD值（图1C）。

图1. SbAT1的自然变异与高粱的耐碱性有关。

根据五个主要位点的序列变异，将从其他种群中选出的37个高粱种质分为SbAT1的两个典型单倍型（Hap1和Hap2）。值得注意的是，与Hap1[野生型（WT）]相比，在SbAT1的第五个外显子中发现了一个5碱基对（bp）（GTGGC）插入的移码突变（图1D），这导致Hap2中的一个过早终止密码子可能编码一个N末端只有136个氨基酸的截短蛋白（称为SbAT1）。此外，观察到在碱处理下，含有Hap1的高粱品种的相对存活率远高于含有Hap2的高粱品种（P=0.43×10−10）（图1E）。与SbAT1的5′非翻译区（5′UTR）没有发现强关联信号的发现一致，能够根据碱性处理5或8天后获得的RNA水平证实基于单倍型的变异与SbAT 1的表达水平无关（图1F）。这些数据表明，两种SbAT1单倍型中的碱敏感性和耐受性表型与SbAT-1及其变体的转录水平无关，而是由于编码区内导致蛋白质变化的突变。

2.AT1在耐碱性中的作用

为了评估AT1对高粱耐碱性的等位基因效应，从实验室种群中选择了一对F11代具有两个AT1单倍型的近等基因系（NIL）用于育种计划。NILs来源于两个高粱种质SN010和M-81E的杂交。根据存活率和株高数据（图2A），SN010属于单倍型Hap1（含有野生型SbAT1），其耐碱性高于单倍型Hap2（SbAT1突变体）的M-81E。用75 mM碱性盐处理两个NIL。在碱性处理下，NIL-SbAT1的相对存活率比NIL-SbAT1高56.1%，生长也更好，而在中性pH土壤中种植时，这两种NIL没有显著差异（图2 B,C）。用75mM混合碱盐处理不仅对植物造成了碱性胁迫，还对植物造成Na+胁迫。为了区分SbAT1相关的胁迫表型是由高pH值还是单独的高Na+胁迫引起的，进行了类似于碱性处理的处理，但使用75、100、150和200 mM浓度的NaCl，所有土壤的pH值均为中性。我们发现，两种NIL都对高NaCl敏感，NIL-SbAT1和NIL1-Bat1之间的应激反应只有轻微差异。这一结果表明，SbAT1-和SbAT1相关的应激表型更可能是碱性特异性反应，而不是盐胁迫反应。

图2. SbAT1在高粱耐碱性中起作用。

为了测试这种可能性，在Wheatland背景（SbWT）中产生了额外的转基因高粱植物，其中含有完整的野生型SbAT1基因，该基因要么过表达，要么使用基因编辑技术敲除。通过定量逆转录聚合酶链式反应（RT-qPCR）或序列分析证实了过表达或敲除（ko）。出乎意料的是，我们发现SbAT1（SbAT1-OE）的过表达降低了耐受性，而敲除SbAT1ko的植物对碱性的耐受性大大提高（图2 D-F）。在75 mM碱性胁迫下，SbAT1过表达植物的存活率比Wheatland植物低13.95%，而SbAT1ko植物的存活速率比SbWT植物高17.93%（图2F）。转基因植物的表型促使我们重新考虑天然品种SbAT1 C末端基因突变的功能（图1 C,D），并认为截短的蛋白质可能在耐碱性中起负面作用。为了验证我们的推测，我们首先在植物细胞中瞬时表达了绿色荧光蛋白（GFP）融合蛋白SbAT1-GFP和SbAT1-GFP，发现该蛋白积累到很高的水平。这表明突变的Sbat1基因可以被翻译。

为了进一步研究，在小米中通过基因编辑产生了转基因植物，在与高粱at1相同的位置产生了一个终止密码子，以模拟潜在的C末端截短SiAT1102蛋白的产生。我们还产生了C末端截短的过表达SiAT1124的植物（SiAT1124 OE）和SiAT1敲除的植物（SixAT1ko）（图3A）。我们在本实验中使用小米有多个原因：（i）与高粱相比，小米的植物转化更容易、更快；（ii）小米是高粱的近亲，具有较高的基因组相似性和相似的环境生理学；（iii）SiAT1的单拷贝与SbAT1具有75.24%的蛋白质同一性。与转基因高粱的结果类似，敲除SiAT1基因产生的植物对碱性条件的耐受性更强，与其他基因型相比，存活率更高（图3 B,C）。相比之下，C末端截短的转基因小米（SiAT1102）和过表达C末端截长的SiAT1的小米（SiAT 1124OE）显示出降低的耐碱性；SiAT1124 OE植物对碱度的反应最弱（图3 B,C）。这一结果表明，C末端截短蛋白可以在植物中表达，C末端截断蛋白数量的增加对耐碱性有负面影响，而AT1的敲除可以对植物的耐碱性产生积极影响。结合高粱中AT1的过表达表型得出结论，AT1在高粱和小米的耐碱性中起着负面作用，AT1突变增强了这种作用。

图3. AT1同源物的Gγ样亚基在小米、水稻和玉米的耐碱性中具有保守的功能。

3.AT1同源物在水稻和玉米中的相似作用

进一步研究了AT1同源物在另外两种主要单子叶作物水稻和玉米中的反应。水稻中的AT1直系同源基因已被鉴定为OsGS3，这是一个调节粒径的主要数量性状位点（QTL）。我们发现，在碱性土壤（75 mM碱性盐；pH 9.0至9.2）中，与ZH11野生型（OsWT）相比，完整OsGS3（OsGS3-1OE）和C端截短型（OsGS3-4OE）的过表达表现出碱性耐受性降低，而具有OsGS3敲除（OsGS3ko）或RNA干扰（OsGS3Ri）的水稻在相对存活率、相对株高测量的植物生长和相对叶绿素含量方面表现出更大的耐受性（图3 D,F）。在转基因植物中，OsGS3-1OE和OsGS3-4OE的相对存活率分别比OsWT低12.5%和26.4%，而OsGS3ko和OsGS3Ri的相对生存率分别比OsWT高8.3%和7.4%（图3F）。这些结果表明，抑制水稻OsGS3功能可以增强耐碱性，并表明Gγ亚基的功能是保守的。此外，通过操纵或选择OsGS3的非功能等位基因可以提高水稻的耐碱性。

AT1的玉米直系同源物先前被鉴定为ZmGS3。因此，我们将该基因命名为AT1/GS3，并用前缀指定物种；AT1和GS3也可以单独使用或互换使用。我们通过基因编辑在玉米系KN5585（ZmWT）中产生了玉米ZmGS3敲除（ZmGS3ko）系。玉米ZmGS3ko植株在ZmGS3的第一外显子中有一个34 bp的缺失和一个碱基突变。这些突变导致预测蛋白的帧移和早期翻译终止。与野生型相比，经过碱性处理后，敲除植物似乎具有更强的耐碱性，如培养第14天的生长性能所示（图3 G,H）。治疗50天后，表型差异更加明显；几乎所有野生型幼苗都死亡，而ZmAT1/GS3ko存活并继续生长（图3I）。这一证据支持ZmAT1/GS3ko也可以提高玉米的耐碱性，类似于我们在高粱、小米和水稻中观察到的情况。

4.AT1/GS3与水通道蛋白协同作用

为了进一步确定AT1/GS3如何调节作物的耐碱性，通过免疫沉淀结合质谱（IP-MS）检测了SbAT1相互作用蛋白。谷胱甘肽S-转移酶(GST)-SbAT1被用于结合碱性处理的根样本中的蛋白质，然后释放这些结合的蛋白质进行进一步分析。检测到386种与SbAT1相互作用的候选蛋白，包括鸟嘌呤核苷酸结合蛋白β亚基（Gβ亚基）（图4A），这支持了IP-MS的结果，因为众所周知，Gβ和Gγ在一个复合体中共同作用，调节广泛的生物过程。在相互作用的蛋白质中发现了许多水通道蛋白，特别是PIP2;1/2;2和PIP13/14蛋白。据报道，这些水通道蛋白的同源物通过调节植物和哺乳动物的ROS稳态参与胁迫生物学。我们通过进行不同的检测证实了这些蛋白质与SbAT1和SbAT1的相互作用。萤光素酶互补成像（LCI）测定数据以及共免疫沉淀（Co-IP）测定和下拉测定都证明了它们在体内和体外的相互作用（图4，A和B）。

图4. Gγ亚基AT1与水通道蛋白PIP2;1相互作用，后者在植物耐碱性中起作用。

水稻水通道蛋白OsPIP2;1与其高粱对应物具有很高的序列相似性，我们还证实了OsPIP2;1和OsGS3之间的相互作用。因此，我们研究了OsPIP2在碱性应激反应中的作用。为了研究OsPIP2;1及其同源物OsPIP2;2的作用，我们使用CRISPR-Cas9产生了OsPIP2;1和OsPIP2;2的双敲除突变体。选择两个具有OsPIP2;1和OsPIP2;2敲除的独立T2纯合系（OsPIP2;1ko/2;2ko-8-3和OsPIP2 ;1ko/2;2ko-9-8）进行进一步分析。如图所示。4、C和D，OsPIP2;1ko/2;2ko的耐碱性较低，与水稻的相应对照相比，其相对存活率和植株生长较差。由于已知水通道蛋白参与不同生命王国细胞中ROS的稳态，碱性胁迫下植物根系生长抑制与ROS积累密切相关，通过H2DCFDA染色测量了水稻根系中ROS的积累。H2DCFDA染色的荧光信号反映了植物组织中的ROS含量。强信号证实，与经受碱性处理的野生型对照系相比，OsPIP2;1ko/2;2ko系植物根部的ROS含量更高（图4，E和F）。这些结果表明，水通道蛋白PIP2;1/2;2通过影响植物的ROS状态参与了耐碱性的调节。由于PIP2;1/2;2与Gγ相互作用，我们随后测量了高粱和水稻不同转基因系的ROS积累。与各自的对照组相比，AT1/GS3或C末端截短蛋白的过表达增强了高粱和水稻根系中的ROS积累，而AT1/AS3的敲除大大减少了ROS积累（图4，G至J）。强荧光信号染色也证实了碱处理后NIL-Sbat1的植物根中ROS含量高于NIL-Sbat1。

还通过3,3′-二氨基联苯胺（DAB）染色分析了转基因高粱、小米、水稻和玉米叶片中的ROS状态，这些叶片要么过表达AT1/GS3，要么与高粱NIL系一起敲除AT1/GS3。DAB染色在组织中检测到棕色沉淀，染色强度表明H2O2的积累量。所有四种作物的DAB染色结果证实了H2DCFDA染色的结果。众所周知，碱性应激会导致ROS积累。过量的ROS会导致细胞氧化应激，导致植物细胞死亡，从而降低植物存活率。细胞ROS积累的调节可能解释了为什么截短的Gγ存活率较低，以及为什么敲除Gγ可以提高这些作物的耐碱性。

5.Gγ调节ROS分布中的PIP2磷酸化

为了进一步研究Gγ如何与PIP2水通道蛋白相互作用，以影响碱性胁迫下ROS的稳态，应用了氧化还原探针Cyto-roGFP2-Orp1，它可以检测细胞质中的H2O2。在405和488nm处观察到激发后的荧光，但在无质粒对照组中没有观察到荧光，这表明我们在水稻原生质体中成功表达了Cyto-roGFP2-Orp1探针。接下来，我们分析了过表达Cyto-roGFP2-Orp1的原生质体在不同氧化还原挑战下的氧化还原状态。原生质体的形态完整，在100μM二硫苏糖醇（DTT）或100μM H2O2下荧光未淬灭。过表达Cyto-roGFP2-Orp1的原生质体对还原挑战和氧化挑战反应良好，反应范围（氧化还原比）为2.9（图5，A和B），在报告的roGFP2-Opp1探针的动态范围内。这些结果表明，该系统适用于检测水稻原生质体中的氧化还原。

图5. AT1同源物的Gγ亚基通过H2O2出口体PIP2;1调节植物的碱反应。

接下来，我们在碱性处理条件下进行了测定。水稻原生质体的标准pH值为5.4，我们发现原生质体在一定处理时间后仍能保持完整的最高pH值为7.5。然后用这种碱性条件处理野生型原生质体不同的时间点，并观察细胞完整性。成像结果显示，原生质体在pH 7.5下保持完整40分钟，但在碱处理60分钟后观察到原生质体破裂。我们还发现与CK缓冲液（pH 5.4）处理相比，碱处理40分钟时的H2O2水平明显高于对照组，但20分钟时没有诱导。因此，我们选择40分钟的时间点作为适当的治疗条件。

然后，我们使用这种Cyto-roGFP2-Orp1系统和处理条件来检测OsWT、OsGS3-4OE、OsGS3ko和OsPIP2;1ko/2;2ko原生质体中的氧化还原状态。结果表明，与未处理的对照组相比，碱性处理后的相对H2O2水平升高，基于每组分析的n>30个原生质体。为了克服单个原生质体的差异，测量了在405和488 nm激发后，用微孔板读数器检测到在525 nm下用Cyto-roGFP2-Orp1转染的相同品系的大量细胞（每个重复1×105个原生质体）中的氧化还原状态。如图5C，碱性处理后，OsGS3-4OE组的相对H2O2水平高于OsWT组。这些结果表明，OsGS3-4OE在碱性反应中表现不佳，因为细胞中会产生大量H2O2，而OsGS3ko中ROS的积累较低可能是OsGS3ko耐受碱性处理的原因之一。我们还观察到，在碱处理下，OsPIP2;1ko/2;2ko-8-3的相对H2O2水平明显高于OsWT（图5D）。

先前对PIP2;1的研究发现，PIP2;1磷酸化的改变会影响其活性。因此研究了SbPIP2;1磷酸化在碱性胁迫下对ROS分布的作用。首先通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）在用碱性胁迫处理或未处理的幼苗样品中鉴定了SbPIP2;1中的磷酸化位点，并检测到两个磷酸化位点S285和S288。发现SbAT12;1的过表达可以减弱SbPIP的磷酸化（图5E）。使用抗pS285/288抗体，我们定量了在对照和碱处理条件下生长的水稻OsGS3转基因系中OsPIP2;1的磷酸化水平。在过表达全长OsGS3（OsGS3-1OE）和短形式OsGS3的两个品系中，OsPIP2;1的磷酸化水平均低于野生型对照的水平，而OsGS3ko中的OsPIP2;1磷酸化水平较高（图5F），这与在高粱PIP2;1中发现的情况相似（图5E。这些结果表明，AT1/GS3可能通过在碱性条件下减弱PIP2;1的磷酸化来调节植物中ROS的稳态。

为了证实对PIP2;1磷酸化的观察，在植物细胞中ROS状态方面，在水稻OsPIP2;1ko/2;2ko原生质体中瞬时表达了融合构建体突变体，通过在OsPIP2;1的不同磷酸化形式之间的区域插入P2A自切割肽和ROS探针（Cyto-roGFP2-Orp1），可以产生两种等摩尔的OsPIP2;1蛋白和ROS探针（图5G）。如图5H所示，未经处理的细胞没有显著差异，但OsPIP2;1ko/2;2ko突变体中OsPIP2;1的过表达抑制了细胞中较高的ROS产生。此外，OsPIP2;1（3SD）的磷酸化形式有效地降低了ROS水平，而去磷酸化形式的PIP2;1（3SA）在碱处理后细胞中积累了更高的ROS水平（图5H）。这些结果表明，Gγ负调控PIP2;1的磷酸化导致植物中ROS水平升高。

为了进一步揭示PIP2s和AT1/GS3在胁迫条件下如何控制细胞ROS水平，检测并定量了水稻品系根组织中细胞质和质外体中的相对ROS含量，如野生型ZH11、OsGS3-4OE、OsGS3ko和OsPIP2；1ko/2；通过碱性处理后用H2DCFDA（细胞质氧化还原状态）和OxyBURST Green H2HFF-BSA（质外体氧化还原状态）。发现在没有碱性处理的所有这些水稻品系中，ROS含量几乎没有差异（图5，I至L）。碱处理后，与野生型对照组相比，OsGS3-4OE中检测到细胞质ROS积累显著增加，而OsGS3ko中的细胞质ROS积累减少（图5、I和J）。还检测了相同品系的质外体ROS水平。OsGS3-4OE显示出比OsWT相对较低的质外体ROS，而OsGS3ko系的根中检测到质外体的高ROS积累。OsPIP2中还检测到细胞质ROS增加和质外体ROS积累减少；1ko/2；与ZH11相比为2ko（图5，I至L）。这些结果表明，G蛋白γ亚基GS3/AT1和水通道蛋白OsPIP2；1/2;2可以以相反的方式调节植物根系在碱性胁迫下的细胞质/质外体ROS比率。结合ROS探针（Cyto-roGFP2-Orp1）检测到的细胞质ROS，这些结果表明，GS3/AT1介导的OsPIP2水通道蛋白磷酸化可能有助于调节细胞内ROS水平，避免在碱性胁迫下对植物根系的损伤。

6.在高钠土地上提高农作物产量

为了评估AT1/GS3基因在作物生产中的有用性，在含有天然碱的高钠土地上对高粱、水稻、玉米和小米进行了不同天然等位基因和转基因AT1/GS三基因的田间试验。这些油田位于中国钠质地区的两个地点——吉林省的大安地区（中国北部）和宁夏省的平楼地区（中国西北部）。这些地区是中国主要的农作物产区之一，但有大面积的碱性土壤，这限制了农作物的产量。

KYNIL（GS3）是携带OsGS3-2的优良品种Kongyu131（在相对于OsGS3-1的C末端插入3-bp），其功能等同于OsGS3-1。KYNIL（gs3--）位于Kongyu131的背景下，具有一个渗入的OsGS3-3，这是一个完全丧失功能的等位基因。在田间试验之前，对KYNIL（GS3）的耐碱性进行了测试，并与KYNIP（GS3--）进行了比较。该试验在幼苗阶段在温室中用75mM碱进行。正如预期的那样，KYNIL（gs3--）表现出比Kongyu131高得多的耐碱性。

然后，我们进行了一项实验，比较了两种不同pH值9.45和7.74（对照）的土壤中的NIL，使用来自同一地区的高钠土壤与营养土壤混合。除了每株植物的穗数外，在pH 9.45的苏打土下，KYNIL（GS3-）在相对存活率、每穗粒数、粒重和粮食产量方面表现明显优于KYNIL。

还在土壤pH值为9.17的大安地区进行了设计样地试验。KYNIL（GS3−）品系在幼苗期和收获期（图6A左图）的表现均远优于KYNIL。在收获阶段，KYNIL（GS3−）水稻产生了更大的穗，每穗的粒数更多（图6A），粒重增加，导致每丛粮食产量增加29.3%（图6A）。与对照组相比，KYNIL（GS3−）水稻的粮食产量提高了27.8%。在pH值为5.58的田地里建立了相同的种植，其中KYNIL（GS3−）和对照组的单株产量差异仅为10.3%。第二年，在同一地点研究了碱性土壤和酸性土壤中水稻近交系的产量。与之前获得的结果相似，碱性土壤的产量增加了22.4%，对照田的产量提高了6.64%。此外，OsGS3敲除对钠土和中性土中的粒长都有贡献。还发现OsGS3敲除对钠土中的宽度有贡献，但对中性土壤中的宽度没有贡献。这些结果表明，GS3的非功能等位基因可以在高钠土壤中实现更高的作物产量。

图6. AT1/GS3基因敲除和天然非功能等位基因提高了盐碱地的作物产量。

由于其优良的品质和高产，自2018年以来，改良的优良水稻系中科发5号（ZKF5）已在中国北方种植了超过10万公顷。ZKF5具有GS3（OsGS3-3）的非功能性等位基因，与KYNIL（GS3-）相似。2021年夏天在相对高钠土壤（pH 8.5至8.7）和低钠土壤（pH7.4至7.6）中测试了ZKF5的现场性能。在生长季节结束时，当地农民协会从>30公顷的土地上获得了田间生产数据。发现与中性田相比，钠田的产量仅下降了7.8%。这些大面积的田间生产数据也表明，在钠田的水稻生产中使用GS3-3等位基因可以提高作物产量。

还将中华11号（ZH11）水稻及其OsGS3基因敲除系OsGS3ko种植在温室中，在温室中具有相同两个 pH 值水平的土壤中——7.74 作为对照土壤，9.45 作为钠土壤。尽管由于ZH11在吉林省种植时对光周期敏感未能收获其种子，但在OsGS3ko系中观察到的相对存活率更高表明其对钠条件的耐受性更强。

高粱、玉米和小米在平罗地区进行了测试，该地区由中国西北部高钠土壤的旱地组成。在该地区，由于地下水位的变化，pH值在作物生长季节会自然增加。Wheatland野生型和SbAT1ko高粱系在春季种植在pH值为8.97的同一地块上，在8月的开花期pH值达到9.27。SbAT1ko品系的存活率>60%，Wheatland野生型对照的存活率仅为33%（图6B）。叶子烧伤通常发生在受高盐或苏打胁迫影响的单子叶作物，在大多数Wheatland野生型植物中都有观察到，但在SbAT1ko系的植物中没有观察到（图6B）。在收获阶段，SbAT1ko品系的粮食产量比对照组高20.1%（图6B），尽管其分蘖和穗数较低（图6B）。由于整株高粱通常用于青贮，我们测量了整株植物生物量的鲜重，发现SbAT1ko系植物的鲜重比对照组高30.5%（图6B右图）。与野生型相比，SbAT1ko品系的粮食产量和整株生物量都更高，这表明在钠地种植的高粱具有更好的田间表现。在同一地区还在夏季种植了NIL-SbAT1和NIL-SbAT1品系。8月底发现NIL-SbAT1的表现优于NIL-SbAT1（图6C），差异与温室实验记录的结果相似（图2B）。

SiAT1ko品系及其对照Ci846也在同一地区与高粱一起种植。SiAT1ko品系在幼苗期的存活率接近100%，而野生型Ci846的存活率仅为75%（图6B）。此外，在收获阶段，敲除系的穗粒径也大于对照组（图6B），SiAT1ko的产量比对照组高19.5%（图6B）。

在同一块田里还种植了ZmGS3与其对照系KN5585（ZmWT）一起敲除的玉米。在幼苗期，ZmGS3ko系列的相对存活率为42.5%，而野生型对照组为18.5%，如种植后1个月所记录的（图6E）。经过3个月的生长，KN5585系的大多数个体死亡，而敲除系有7.4%的个体存活。尽管由于玉米对碱性条件的固有敏感性，这些植物都没有成熟以生产谷物，但ZmGS3的敲除显示出增强的耐碱性。总之得出结论，无论是从自然变异中获得还是通过基因编辑产生的非功能突变体，在苏打土壤中种植时，都可以提高作物在生物量或粮食产量方面的田间表现。

03

讨论

DOI: https://doi.org/10.1126/science.ade8416