新京報(bào)訊（記者張璐）記者從中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所獲悉，研究所謝旗團(tuán)隊(duì)與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團(tuán)隊(duì)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)合十家科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)進(jìn)行合作，以耐鹽堿作物高粱為材料，首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制。

大田實(shí)驗(yàn)證明，通過基因編輯技術(shù)敲除該基因，可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地上的產(chǎn)量，在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。相關(guān)研究于北京時間2023年3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》上。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗在新聞發(fā)布會上介紹研究成果。圖/中國科學(xué)院融媒體·聲像資源庫

植物耐鹽堿研究難度高、數(shù)量少

聯(lián)合國糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2015年，全球超過10億公頃鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用，其中堿化土約占鹽漬化土壤的60%。據(jù)悉，全球氣候變化、淡水的缺乏，加之化肥的大量使用，預(yù)計(jì)到2050年將導(dǎo)致約50%的可耕土地土壤發(fā)生鹽漬化。

我國鹽堿地面積高達(dá)1億公頃。土壤鹽漬化不僅造成作物嚴(yán)重減產(chǎn)，而且破壞人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展迫切需要利用現(xiàn)代遺傳育種技術(shù)培育耐鹽堿作物，以種適地。

鹽堿地分為鹽化土壤和鹽堿化土壤兩種主要類型，鹽化土壤主要含有NaCl（氯化鈉）、Na2SO4（硫酸鈉）等中性鹽，pH值接近中性。目前全球在植物耐鹽研究方面的方法較成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，但對于植物（作物）耐堿機(jī)制仍了解較少。

鹽堿化土壤主要由Na2CO3（碳酸鈉）或NaHCO3（碳酸氫鈉）等引起，pH值比較高?！皃H值高會嚴(yán)重影響植物對各種元素的吸收，植物就會慢慢枯萎?！敝袊茖W(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗說，堿性強(qiáng)也會破壞植株蛋白和細(xì)胞。過去的研究方法主要是利用Na2CO3或NaHCO3來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堿度從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在處理過程中pH值變化大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)難度高。此次，研究團(tuán)隊(duì)采用了混合堿穩(wěn)定的pH體系，成功解決了上述問題。

AT1基因改造后，作物更耐鹽堿

據(jù)謝旗介紹，由于常用的模式植物擬南芥是甜土植物，其適應(yīng)性進(jìn)化的耐鹽堿遺傳信息可能存在缺陷，導(dǎo)致相關(guān)研究未有突破。為解決耐堿研究的材料選擇瓶頸問題，研究團(tuán)隊(duì)采用了起源于非洲中部貧瘠土地的高粱作為實(shí)驗(yàn)材料。當(dāng)?shù)赝寥利}堿大跨度變化的環(huán)境，促使高粱通過進(jìn)化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。

“我們擁有來自全球的大量高粱資源，有些來自鹽堿土地。植物會適應(yīng)環(huán)境進(jìn)行進(jìn)化，如果環(huán)境非常惡劣，土地鹽堿化程度高，植物就會突變一些基因使其更耐鹽堿?！彼f，2017年起，科研團(tuán)隊(duì)與合作者獨(dú)辟蹊徑，首先通過全基因組大數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)分析耐鹽堿差異大的高粱資源，發(fā)現(xiàn)了一個主效耐堿基因AT1，該基因與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。

吉林白城高堿部分區(qū)域種上了經(jīng)AT1/GS3改良過的水稻。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所供圖

謝旗進(jìn)一步解釋稱，AT1是主效控堿基因，AT1基因通過改造后，高粱會更耐鹽堿。

科研人員借助特異性熒光探針系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在高鹽堿脅迫中，AT1通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化，來調(diào)節(jié)在逆境情況下的水通道蛋白活性，水通道蛋白負(fù)責(zé)將在逆境情況下產(chǎn)生的ROS（活性氧物質(zhì)）泵到細(xì)胞外，降低過氧化應(yīng)激，由此首次揭示了作物耐堿的分子機(jī)制?？蒲腥藛T還在水稻、玉米、小麥和谷子中改造了AT1基因，均發(fā)現(xiàn)作物更耐鹽堿，即AT1的調(diào)控機(jī)制在上述作物中同樣適用。

大田實(shí)驗(yàn)中高粱等作物增產(chǎn)

在重大理論突破基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)對高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良，在pH值為9.10的寧夏平羅鹽堿地進(jìn)行的大田實(shí)驗(yàn)表明， AT1基因改造能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%，全株生物量（青貯用）增加近30.5%。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物——水稻、小麥、玉米和谷子等的耐鹽堿性。在pH值為9.17的吉林大安鹽堿地，不同作物年增產(chǎn)約22.4%-27.8%；在pH值為9.10的寧夏平羅鹽堿地，谷子增產(chǎn)19.5%。科研人員還發(fā)現(xiàn)，改造這一基因也能顯著增強(qiáng)玉米在鹽堿地中的存活率。

由此可見，AT1基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景，有望在推進(jìn)我國糧食安全中鹽堿地綜合利用的國家戰(zhàn)略方面發(fā)揮重要作用。研究者預(yù)測，如果在全球20%的鹽堿地中利用該基因技術(shù)，將明顯提高鹽堿地產(chǎn)能，每年可為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食。

未來，百姓何時能吃上這些耐鹽堿的作物？謝旗表示，科研人員已經(jīng)在自然界中發(fā)現(xiàn)，有的水稻品種含有AT1/GS3基因的耐鹽堿自然變異形式，導(dǎo)入這種自然變異形式的6個北方水稻品種種植面積較大，且已走上百姓餐桌。“水稻不僅耐鹽堿，且粒長變長了，長粒米受到南方百姓歡迎，售價(jià)也更高一些?！?/p>

謝旗同時表示，此項(xiàng)研究成果已經(jīng)申請了國際專利保護(hù)?！捌湮磥淼耐茝V應(yīng)用，我們是有自主知識產(chǎn)權(quán)的。”

這項(xiàng)研究成果在審稿過程中得到審稿人的高度評價(jià)，其中一名審稿人表示，這項(xiàng)工作綜合多種前沿的生物技術(shù)，并在多種植物中揭示了耐鹽堿的重大科學(xué)問題。

新京報(bào)記者 張璐