科创中国

       作者: 陆成宽

       “这是全球10亿公顷盐碱地的福音。”“这项研究为未来培育耐盐碱植物，打开了一扇大门。”“盐碱地有救了！”……在中国科学院召开的新闻发布会上，专家们对3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》上的作物耐碱研究成果赞不绝口。

       以耐盐碱作物高粱为材料，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队与中国农业大学于菲菲团队、华中农业大学欧阳亦聃团队联合十家科研单位合作，找到了作物耐盐碱的“密码”。他们发现了作物的主效控碱基因AT1及其作用机制。

       更重要的是，盐碱地实验证明，敲除该基因可显著提升高粱、水稻、玉米、小麦和谷子等作物在盐碱地的产量。

图片来源：中科院遗传发育所

       从高粱入手揭开耐碱奥秘

       盐碱地有两种类型，分别是盐化土壤和碱化土壤。很多重度盐碱地的表面都盖着一层“白被子”，由于土壤表层盐类、碱类集积，上面几乎寸草不生。

       联合国粮农组织调查数据显示，截至2015年，全球有超过10亿公顷盐碱地不能被有效利用，其中碱化土壤约占盐碱地的60%。

       “目前全球在植物耐盐研究方面方法较成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，发表的论文有20000多篇；但对于植物耐碱机制，我们却仍然了解甚少，发表的论文仅457篇。”谢旗坦言。

       “高粱起源于高盐碱的非洲萨赫勒地区，它能够适应各种盐碱地，具有高度丰富的耐碱性遗传资源。”谢旗等研究人员瞄准高粱，希望能够从高粱入手，揭开其耐碱的奥秘。

       通过对高粱进行全基因组大数据关联分析，研究人员很快就发现一个主效调控耐碱的基因AT1，与水稻的粒形调控基因GS3同源。同时，利用特异性荧光探针系统，研究人员首次揭示了作物高抗盐碱的分子机制。他们发现，在高盐碱环境中，AT1基因通过调控水通道蛋白的磷酸化来调节水通道蛋白的活性，并将多余的ROS（活性氧物质）排到细胞外，以降低作物的氧化应激反应。

       另外，研究人员还发现AT1在主要粮食作物水稻、玉米、小麦及谷子的调控机制，也与高粱相似。

       田间实验增产效果显著

       在重大理论突破的基础上，合作团队也进行了大田试验。在宁夏平罗盐碱地的实验结果表明，AT1基因的利用能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量增加近30.5%。

图片来源：中科院遗传发育所

       同时，研究人员进一步将AT1基因用于改善水稻、谷子和玉米等作物的耐盐碱性，在吉林大安盐碱地，水稻不同年份增产22.4%-27.8%，在宁夏平罗盐碱地谷子增产近19.5%。研究人员发现，敲除该基因也能显著增强玉米在盐碱地的存活率。

       这项研究成果也得到了审稿人的高度评价。一位审稿人称，该工作综合多种前沿的生物技术，在多种植物中揭示了耐盐碱的重大科学问题。另一位审稿人表示，这项研究揭示一个重要的禾本科作物保守的生物学机制，该遗传学机制揭示了植物界基础科学重大问题，是科学界的重大发现。第三位审稿人则认为，该研究涉及了多种农作物，而且工作量巨大；目前关于重要耐碱的位点未被解析，这个工作是农业生产方面的重大突破。

       研究人员预测，如果全球20%的盐碱地种植AT1基因改良的作物，可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食，从而提高盐碱地产能。该基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望为支撑我国国家粮食安全及盐碱地综合利用的国家战略发挥重要作用。

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