水稻GABA转运蛋白OsGAT3在盐旱胁迫下调控生长与产量的分子机制研究

本研究针对水稻在盐碱和干旱胁迫下产量下降的突出问题，通过系统解析γ-氨基丁酸（GABA）转运蛋白基因OsGAT3的功能机制，发现其通过调控苯丙烷生物合成、MAPK信号通路和光合作用途径，显著提高水稻耐逆性并增加分蘖数（提高23.1%）和单株产量（提升18.7%）。该研究为培育抗逆高产水稻品种提供了新靶点。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，盐碱化和干旱已成为制约水稻生产的主要非生物胁迫因素。据统计，全球约20%的灌溉耕地遭受盐害威胁，而干旱更导致水稻减产高达50%。面对这一严峻挑战，科学家们将目光投向了植物中具有多重生理功能的γ-氨基丁酸（GABA）——这种四碳非蛋白氨基酸不仅参与碳氮平衡调控，更在植物应对环境胁迫中扮演关键角色。然而，GABA如何在水稻体内转运并协调生长与抗逆性的分子机制尚不明确，这成为制约其农业应用的瓶颈。

针对这一科学问题，来自贵州大学的Chuanbo Wang、Junnan Hang等研究团队在《The Crop Journal》发表了重要研究成果。研究人员首先利用RiceVarMap 2.0数据库对504份水稻种质进行单倍型分析，通过qRT-PCR、GUS组织定位和亚细胞定位明确OsGAT3表达特征；采用CRISPR-Cas9基因编辑和过表达技术构建转基因株系；结合FITC标记GABA摄取实验和酵母异源互补实验验证转运功能；通过盐（120 mmol/L NaCl）和干旱（15% PEG）胁迫处理，测定生理指标并进行转录组测序（RNA-seq）分析。

研究结果揭示：

1. 1.

   OsGAT3启动子序列存在籼粳分化

   在504份种质中发现OsGAT3启动子区存在16个SNP变异，形成4种单倍型。籼稻（Hap1/Hap3）表达量较粳稻（Hap2）高2.3倍，且分蘖数和氮素利用效率（NUtE）显著提升。

2. 2.

   OsGAT3具有组织特异性表达模式

   GUS染色显示该基因在根系、茎秆和叶片中高表达，低温（4°C）、盐（NaCl）和干旱（PEG）处理可诱导其表达上调3.5倍。共定位实验证实OsGAT3定位于质膜。

3. 3.

   基因功能验证

   过表达株系（OE）分蘖数增加31%，单株产量提高18.7%，而敲除株系（C）则下降22%。酵母实验证实OsGAT3可转运GABA、苯丙氨酸（Phe）等9种氨基酸。外源施加0.2 mmol/L GABA使盐胁迫存活率从35%提升至72%。

4. 4.

   抗逆机制解析

   RNA-seq发现OE株系中过氧化物酶基因OsPRx38表达上调4.2倍，MAPK通路基因激活；干旱胁迫下光合相关基因OsGLO1和OsCATC表达量增加3.8倍。代谢组分析显示OE株系叶片GABA含量提升2.1倍，H₂O₂和MDA含量降低40%。

5. 5.

   田间产量验证

   在30 mmol/L NaCl胁迫下，OE株系单株产量仍保持2.4g，较野生型提高26%，实现"抗逆-增产"协同调控。

这项研究首次阐明OsGAT3通过"GABA转运-代谢重编程"双途径协调水稻生长与抗逆性的分子机制。其创新性体现在：发现籼粳稻间自然变异位点，解析转运蛋白底物特异性，创制抗逆增产新材料。该成果不仅为水稻抗逆育种提供新靶点，更提出"外源GABA施用+内源基因调控"的协同增效策略，对保障粮食安全具有重要实践意义。值得注意的是，OsGAT3在不同氮水平（0.2-5 mmol/L NH₄NO₃）下均能促进分蘖的特性，使其在减肥增效农业中具有独特应用潜力。未来研究可进一步探索OsGAT3等位基因在分子设计育种中的价值，以及GABA信号与其他植物激素的互作网络。