說到鹽堿地，你是不是想起了寸草不生的景象和 “鹽堿地里種莊稼，十年九不收”的俗語？由于土壤表層鹽類、堿類集積，絕大部分經(jīng)濟作物都不能在這里生長，或者大量減產(chǎn)。

新疆阿克蘇地區(qū)的鹽堿地

目前全球約有10億公頃的鹽堿地，這個數(shù)字還會增長。預(yù)計到2050年，將有50%的可用耕地受到鹽漬化的影響，對糧食供應(yīng)造成巨大威脅。

不過，下圖也是鹽堿地上的景象，而且這種豐收的景象還可能在更多的鹽堿地上出現(xiàn)，你能想到嗎？

上圖為寧夏平羅的高粱地，中圖、下圖為吉林大安的水稻田

近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團隊與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團隊、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃團隊聯(lián)合中國科學(xué)院生物物理研究所、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、寧夏大學(xué)、揚州大學(xué)、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)和先正達(dá)集團中國十家單位合作，從耐鹽堿作物高粱展開研究，首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機制。

大田實驗證明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)研究成果于北京時間2023年3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》。

簡單地說，他們找到了鹽堿地里的“豐收密碼”，可以大幅提高鹽堿地作物的產(chǎn)量。今天，我們就來講講尋找這種“密碼”的故事。

鹽堿地：重要的后備耕地資源

根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地的面積約為10億公頃。我國的鹽堿地約為1億公頃，接近 15億畝，其中可以利用的有5億畝。耕地面積是保障糧食生產(chǎn)的首要因素，而鹽堿地是我國極為重要的后備耕地資源，挖掘鹽堿地潛力，開展鹽堿地綜合利用，對于糧食安全有著特殊意義。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提供的數(shù)據(jù)顯示，目前我國在改良后鹽堿地上種植的水稻，平均每公頃產(chǎn)量可達(dá)6噸。如果全球鹽堿地能多利用1%，相當(dāng)于世界糧食增產(chǎn)5000萬噸，按人均占有400公斤計算，能夠滿足1.2億人一年的用糧需求。

當(dāng)前，我國治理鹽堿地理念也發(fā)生了變化，從治理鹽堿地適應(yīng)植物，到選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地。

但是，選育耐鹽堿植物是個大難題。

耐堿基因，為啥現(xiàn)在才找到？

鹽堿地其實不是“一種”地，鹽漬化的土地分為中性pH（富含NaCl和Na2SO4）的鹽地和高pH的蘇打鹽堿地（富含Na2CO3或NaHCO3），鹽地大約40%，堿地大約60%。

全球鹽堿地分布概況

堿地對植物生長發(fā)育有更多的負(fù)面影響。對植物來說，中性鹽地主要具有離子毒性和滲透毒害，而堿地不但會嚴(yán)重降低它們對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，還會誘導(dǎo)更高的氧化應(yīng)激反應(yīng)。

目前全球在植物耐鹽研究方面有較成熟的方法且研究力量集中，已取得了很多成果，但對于植物耐堿機制仍了解較少。根據(jù)研究者的調(diào)研，過去20年發(fā)表的耐鹽性研究論文高達(dá)2萬多篇，而耐堿性的研究只有400多篇。

為啥相關(guān)研究基礎(chǔ)如此薄弱？

其中一個重要原因是鹽堿化土壤主要由Na2CO3或NaHCO3等引起，過去的研究方法主要利用Na2CO3或NaHCO3來調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)堿度，在實驗過程中pH值變化大且不穩(wěn)定（比如溫度升高時會NaHCO3分解形成CO2）導(dǎo)致實驗重復(fù)難度高；另一個原因是，很多研究使用的材料（如水稻、玉米等）本身的起源地或者種植地并不具備鹽堿地條件，很難篩選到關(guān)鍵基因。

可以說，植物的耐堿性研究是一個重大科學(xué)問題，這次中國科學(xué)家邁出了重要的一步，幫助他們的是高粱。

高粱：耐鹽堿的超能力

在我國寧夏、內(nèi)蒙、新疆等地的鹽堿地里，甜高粱能長到四米多高，不但能將閑置的鹽堿地變?yōu)檗r(nóng)田，還可整株粉碎加工后替代優(yōu)質(zhì)牧草，成為牛羊等牲畜飼料。這是中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的謝旗研究員一直的研究課題。

在20余年的科研路上，他帶領(lǐng)團隊培育出了“中科甜438”“中科甜968”“中科甜060”等6個國家登記甜高粱品種，它們具備高耐鹽性、高生物量、高蛋白含量等不同特征， “我的科研目標(biāo)，就是找到最會利用太陽的植物，用最少的地種出最多的糧，讓牛羊能不再和人搶糧食?！?/p>

鹽堿地上種出的甜高粱

在選育各種甜高粱品種的同時，謝旗團隊也在思考，高粱里會不會含有耐堿基因的突破呢？他們與其他團隊合作，開始了探索。

高粱起源于非洲，是人類最早栽培的禾本科作物之一。相比于大豆、玉米等常見作物，高粱的耐旱、耐澇和耐鹽堿能力都極為出眾。土壤鹽堿大跨度變化的環(huán)境促使高粱通過進化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。

謝旗團隊收集了全球各地352種不同品系的高粱，分析它們對鹽堿的耐受程度，獨辟蹊徑地采用了混合堿（Na2CO3:NaHCO3=1:5）的pH體系來篩選，使實驗?zāi)軌蚍€(wěn)定進行。團隊通過全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了與耐堿性呈負(fù)相關(guān)的AT1基因（也就是說，缺失了這個基因的高粱更能夠耐堿），并且利用特異性熒光探針系統(tǒng)首次揭示了作物高抗鹽堿的分子機制。

機場的偶遇，

催生了一個重大的發(fā)現(xiàn)

既然在高粱找到了可以利用耐堿基因，其他作物里呢？AT1基因是不是鹽堿地的增產(chǎn)密碼？

幾年前，謝旗研究員在機場偶遇了研究水稻的李家洋院士。談起AT1基因的研究，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，水稻研究者早已在利用這個基因的同源體（指不同的基因序列與功能相似）——影響稻米粒長的粒形調(diào)控基因GS3，開展育種改良。

合作團隊馬上在實驗室里進行了GS3基因的耐堿性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺失了GS3基因的水稻也更耐堿！這意味著，這個機制在禾本科作物（比如水稻、玉米等）中是通用的，這是基礎(chǔ)科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)。

在重大理論突破基礎(chǔ)上，合作團隊開始了對作物的改良。

他們先對高粱進行耐鹽堿育種改良，在寧夏平羅鹽堿地（pH 9.10）進行的大田實驗表明，AT1基因的利用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%。

進一步將AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物水稻、谷子和玉米等的耐鹽堿性，在吉林大安鹽堿地（pH 9.17）多年實驗表明水稻可增產(chǎn)22.4-27.8%，在寧夏平羅鹽堿地（pH 9.10）谷子增產(chǎn)19.5%，同時發(fā)現(xiàn)該基因的改造也能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。

AT1/GS3敲除和自然缺失增強高粱和水稻對鹽堿脅迫的抗性

（A）2022年，寧夏省平羅縣鹽堿地中（鹽含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1ko的生長表型。

（B）2022年，吉林省大安市鹽堿地中（鹽含量0.26%，pH 9.1）中水稻GS3NILs的生長表型。

沒有這種基因，對耐堿性很重要

AT1/GS3基因到底是如何應(yīng)對鹽堿威脅的呢？合作團隊利用特異性熒光探針對這個基因進行了研究，給了我們這樣的答案。

AT1/GS3負(fù)責(zé)編碼G蛋白γ亞基。G蛋白是生物學(xué)研究的“明星蛋白”，在生物界廣泛存在，遺傳發(fā)育、適應(yīng)環(huán)境、疾病等過程里都有G蛋白的參與。自上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)以來，有兩次諾獎都頒給了G蛋白相關(guān)研究。本研究首次發(fā)現(xiàn)，G蛋白在植物的耐堿性機制中也發(fā)揮了作用。

在高堿的環(huán)境中，植物會產(chǎn)生有害的ROS（活性氧物質(zhì)），誘導(dǎo)更高的氧化應(yīng)激反應(yīng)，而水通道蛋白會把這些ROS泵出細(xì)胞外。但是，G蛋白的β亞基和AT1編碼的γ亞基結(jié)合將影響植物細(xì)胞膜上的水通道蛋白磷酸化，降低 ROS的輸出，細(xì)胞內(nèi)過量的ROS積累將引起一系列氧化應(yīng)激損傷。如果植物的AT1/GS3基因天然就沒有功能或者被敲除，那就不會抑制水通道蛋白的運輸能力，從而降低細(xì)胞的氧化應(yīng)激，這樣，植物就可以順利地在鹽堿地生存了。

AT1調(diào)控的鹽堿脅迫響應(yīng)機制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽堿地上的產(chǎn)量

把論文寫在祖國大地上

未來，合作研究團隊將把耐堿基因的成果應(yīng)用到更多的作物中去，希望在鹽堿地上“為國家糧食安全做出自己的貢獻?！?/strong>

目前世界上約有6.18億公頃堿地，研究者預(yù)測，如果全球20%堿地利用該基因，可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食，從而提高鹽堿地產(chǎn)能。

耐堿性改良關(guān)鍵基因AT1的研究成果，是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破，也是中國科學(xué)家面向我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，從基礎(chǔ)研究著手解決實際問題的典型案例。

撰稿：張文韜

審核：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

本文出品自“科學(xué)大院”公眾號（kexuedayuan），轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處。

來源|科學(xué)大院