小麦TaCIPK19-3D基因通过调控光合机制和离子稳态提高转基因水稻产量及耐盐性

本研究针对作物耐盐性和产量提升的关键需求，通过异源过表达小麦TaCIPK19-3D基因和CRISPR-Cas9敲除OsCIPK19，系统解析了该基因通过调控叶绿体发育、光合效率及CBL-CIPK信号通路增强水稻生长和耐盐性的分子机制，为作物分子设计育种提供了新靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，土壤盐渍化已成为威胁粮食安全的重要环境因素。水稻和小麦作为全球主要粮食作物，其产量和抗逆性提升迫在眉睫。然而，传统育种方法在改良复杂农艺性状方面存在局限，亟需从分子层面解析关键调控基因的功能。钙调磷酸酶B样相互作用蛋白激酶(CIPK)作为植物特有的钙信号传感器，在环境胁迫响应中发挥核心作用，但其在作物中的具体功能网络仍待揭示。

贵州大学农业学院的研究团队通过多学科交叉研究，发现小麦TaCIPK19-3D基因能显著提高水稻光合效率、离子平衡和耐盐性。该成果发表于《Rice》期刊，首次阐明TaCIPK19-3D通过双重调控光合器官发育和应激信号通路实现产量与抗逆协同提升的分子机制。

研究采用四大关键技术：1) 35S启动子驱动的转基因水稻构建；2) CRISPR-Cas9基因编辑创建oscipk19突变体；3) 酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)筛选互作蛋白；4) 整合生理指标测定与透射电镜(TEM)观察叶绿体超微结构。

【TaCIPK19-3D改善转基因水稻叶绿体结构和叶绿素合成】
通过TEM观察到过表达株系叶绿体类囊体膜堆叠紧密且淀粉粒丰富，而突变体则呈现结构紊乱。定量分析显示过表达株系叶绿素a含量提升1.2倍，关键合成基因OsCAO和OsCHLH表达量显著上调。

【离子稳态与光合效率提升】
过表达株系叶片K⁺/Na⁺比值达12.74，Mg²⁺和Ca²⁺含量分别提高5.7%和23.8%。气体交换测定显示净光合速率(NPR)增加21%，气孔导度提升35%。

【产量性状显著改良】
田间试验表明过表达株系单株产量提高28.6%，千粒重增加11.3%，且籽粒外观无异常。

【耐盐性分子机制】
盐胁迫下过表达株系通过激活OsABA2介导的ABA信号通路，使脯氨酸含量增加2.1倍，超氧化物歧化酶(SOD)活性提高1.8倍，氧化损伤显著减轻。

【蛋白互作网络解析】
Y2H实验证实TaCIPK19-3D与TaCBL1/3/4/7及TaFBA-4D（果糖-1,6-二磷酸醛缩酶）直接互作，揭示了其通过钙信号和碳代谢协同调控的新机制。

该研究创新性地证明TaCIPK19-3D可作为作物遗传改良的多效性靶点：在光合器官发育层面通过稳定类囊体膜结构提升光能转化效率；在应激响应层面通过CBL-CIPK-TaFBA分子模块整合钙信号与能量代谢。这一发现为小麦和水稻的分子设计育种提供了双重选择标记——既可通过提高光合效率突破产量瓶颈，又能通过增强离子稳态能力应对盐渍化威胁，具有重要的理论和应用价值。