中国科学家找到耐碱基因！这一发现将成为5亿亩盐碱地的丰收密码

盐碱地新闻 / 2023-04-08 11:52:32

说到盐碱地，你是不是想起了寸草不生的景象和 “盐碱地里种庄稼，十年九不收”的俗语？由于土壤表层盐类、碱类集积，绝大部分经济作物都不能在这里生长，或者大量减产。

新疆阿克苏地区的盐碱地

目前全球约有10亿公顷的盐碱地，这个数字还会增长。预计到2050年，将有50%的可用耕地受到盐渍化的影响，对粮食供应造成巨大威胁。

不过，下图也是盐碱地上的景象，而且这种丰收的景象还可能在更多的盐碱地上出现，你能想到吗？

上图为宁夏平罗的高粱地，中图、下图为吉林大安的水稻田

近日，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中国科学院生物物理研究所、中国科学院东北地理与农业生态研究所、宁夏大学、扬州大学、北京大学现代农业研究院、山东大学和先正达集团中国十家单位合作，从耐盐碱作物高粱展开研究，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。

大田实验证明该基因可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物在盐碱地的产量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。相关研究成果于北京时间2023年3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》。

简单地说，他们找到了盐碱地里的“丰收密码”，可以大幅提高盐碱地作物的产量。今天，我们就来讲讲寻找这种“密码”的故事。

盐碱地：重要的后备耕地资源

根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地的面积约为10亿公顷。我国的盐碱地约为1亿公顷，接近 15亿亩，其中可以利用的有5亿亩。耕地面积是保障粮食生产的首要因素，而盐碱地是我国极为重要的后备耕地资源，挖掘盐碱地潜力，开展盐碱地综合利用，对于粮食安全有着特殊意义。

农业农村部提供的数据显示，目前我国在改良后盐碱地上种植的水稻，平均每公顷产量可达6吨。如果全球盐碱地能多利用1%，相当于世界粮食增产5000万吨，按人均占有400公斤计算，能够满足1.2亿人一年的用粮需求。

当前，我国治理盐碱地理念也发生了变化，从治理盐碱地适应植物，到选育耐盐碱植物适应盐碱地。

但是，选育耐盐碱植物是个大难题。

耐碱基因，为啥现在才找到？

盐碱地其实不是“一种”地，盐渍化的土地分为中性pH（富含NaCl和Na2SO4）的盐地和高pH的苏打盐碱地（富含Na2CO3或NaHCO3），盐地大约40%，碱地大约60%。

全球盐碱地分布概况

碱地对植物生长发育有更多的负面影响。对植物来说，中性盐地主要具有离子毒性和渗透毒害，而碱地不但会严重降低它们对营养物质的吸收，还会诱导更高的氧化应激反应。

目前全球在植物耐盐研究方面有较成熟的方法且研究力量集中，已取得了很多成果，但对于植物耐碱机制仍了解较少。根据研究者的调研，过去20年发表的耐盐性研究论文高达2万多篇，而耐碱性的研究只有400多篇。

为啥相关研究基础如此薄弱？

其中一个重要原因是盐碱化土壤主要由Na2CO3或NaHCO3等引起，过去的研究方法主要利用Na2CO3或NaHCO3来调节实验系统碱度，在实验过程中pH值变化大且不稳定（比如温度升高时会NaHCO3分解形成CO2）导致实验重复难度高；另一个原因是，很多研究使用的材料（如水稻、玉米等）本身的起源地或者种植地并不具备盐碱地条件，很难筛选到关键基因。

可以说，植物的耐碱性研究是一个重大科学问题，这次中国科学家迈出了重要的一步，帮助他们的是高粱。

高粱：耐盐碱的超能力

在我国宁夏、内蒙、新疆等地的盐碱地里，甜高粱能长到四米多高，不但能将闲置的盐碱地变为农田，还可整株粉碎加工后替代优质牧草，成为牛羊等牲畜饲料。这是中国科学院遗传与发育生物学研究所的谢旗研究员一直的研究课题。

在20余年的科研路上，他带领团队培育出了“中科甜438”“中科甜968”“中科甜060”等6个国家登记甜高粱品种，它们具备高耐盐性、高生物量、高蛋白含量等不同特征， “我的科研目标，就是找到最会利用太阳的植物，用最少的地种出最多的粮，让牛羊能不再和人抢粮食。”

盐碱地上种出的甜高粱

在选育各种甜高粱品种的同时，谢旗团队也在思考，高粱里会不会含有耐碱基因的突破呢？他们与其他团队合作，开始了探索。

高粱起源于非洲，是人类最早栽培的禾本科作物之一。相比于大豆、玉米等常见作物，高粱的耐旱、耐涝和耐盐碱能力都极为出众。土壤盐碱大跨度变化的环境促使高粱通过进化形成了高度丰富的耐碱性遗传资源。

谢旗团队收集了全球各地352种不同品系的高粱，分析它们对盐碱的耐受程度，独辟蹊径地采用了混合碱（Na2CO3:NaHCO3=1:5）的pH体系来筛选，使实验能够稳定进行。团队通过全基因组关联分析技术，发现了与耐碱性呈负相关的AT1基因（也就是说，缺失了这个基因的高粱更能够耐碱），并且利用特异性荧光探针系统首次揭示了作物高抗盐碱的分子机制。

机场的偶遇，

催生了一个重大的发现

既然在高粱找到了可以利用耐碱基因，其他作物里呢？AT1基因是不是盐碱地的增产密码？

几年前，谢旗研究员在机场偶遇了研究水稻的李家洋院士。谈起AT1基因的研究，他们惊讶地发现，水稻研究者早已在利用这个基因的同源体（指不同的基因序列与功能相似）——影响稻米粒长的粒形调控基因GS3，开展育种改良。

合作团队马上在实验室里进行了GS3基因的耐碱性研究，结果发现，缺失了GS3基因的水稻也更耐碱！这意味着，这个机制在禾本科作物（比如水稻、玉米等）中是通用的，这是基础科学的重大发现。

在重大理论突破基础上，合作团队开始了对作物的改良。

他们先对高粱进行耐盐碱育种改良，在宁夏平罗盐碱地（pH 9.10）进行的大田实验表明，AT1基因的利用能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%。

进一步将AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物水稻、谷子和玉米等的耐盐碱性，在吉林大安盐碱地（pH 9.17）多年实验表明水稻可增产22.4-27.8%，在宁夏平罗盐碱地（pH 9.10）谷子增产19.5%，同时发现该基因的改造也能显著增强玉米在盐碱地的存活率。

AT1/GS3敲除和自然缺失增强高粱和水稻对盐碱胁迫的抗性

（A）2022年，宁夏省平罗县盐碱地中（盐含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1ko的生长表型。

（B）2022年，吉林省大安市盐碱地中（盐含量0.26%，pH 9.1）中水稻GS3NILs的生长表型。

没有这种基因，对耐碱性很重要

AT1/GS3基因到底是如何应对盐碱威胁的呢？合作团队利用特异性荧光探针对这个基因进行了研究，给了我们这样的答案。

AT1/GS3负责编码G蛋白γ亚基。G蛋白是生物学研究的“明星蛋白”，在生物界广泛存在，遗传发育、适应环境、疾病等过程里都有G蛋白的参与。自上世纪70年代发现以来，有两次诺奖都颁给了G蛋白相关研究。本研究首次发现，G蛋白在植物的耐碱性机制中也发挥了作用。

在高碱的环境中，植物会产生有害的ROS（活性氧物质），诱导更高的氧化应激反应，而水通道蛋白会把这些ROS泵出细胞外。但是，G蛋白的β亚基和AT1编码的γ亚基结合将影响植物细胞膜上的水通道蛋白磷酸化，降低 ROS的输出，细胞内过量的ROS积累将引起一系列氧化应激损伤。如果植物的AT1/GS3基因天然就没有功能或者被敲除，那就不会抑制水通道蛋白的运输能力，从而降低细胞的氧化应激，这样，植物就可以顺利地在盐碱地生存了。