新京报讯（记者张璐）记者从中国科学院遗传与发育生物学研究所获悉，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机构、高校、企业进行合作，以耐盐碱作物高粱为材料，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。
大田实验证明，通过基因编辑技术敲除该基因，可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物在盐碱地上的产量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。相关研究于北京时间2023年3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》上。
中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗在新闻发布会上介绍研究成果。图/中国科学院融媒体·声像资源库
植物耐盐碱研究难度高、数量少
联合国粮农组织调查数据显示，截止到2015年，全球超过10亿公顷盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用，其中碱化土约占盐渍化土壤的60%。据悉，全球气候变化、淡水的缺乏，加之化肥的大量使用，预计到2050年将导致约50%的可耕土地土壤发生盐渍化。
我国盐碱地面积高达1亿公顷。土壤盐渍化不仅造成作物严重减产，而且破坏人类赖以生存的生态环境。我国农业的可持续发展迫切需要利用现代遗传育种技术培育耐盐碱作物，以种适地。
盐碱地分为盐化土壤和盐碱化土壤两种主要类型，盐化土壤主要含有NaCl（氯化钠）、Na2SO4（硫酸钠）等中性盐，pH值接近中性。目前全球在植物耐盐研究方面的方法较成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，但对于植物（作物）耐碱机制仍了解较少。
盐碱化土壤主要由Na2CO3（碳酸钠）或NaHCO3（碳酸氢钠）等引起，pH值比较高。“pH值高会严重影响植物对各种元素的吸收，植物就会慢慢枯萎。”中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗说，碱性强也会破坏植株蛋白和细胞。过去的研究方法主要是利用Na2CO3或NaHCO3来调节实验系统碱度从而进行实验，在处理过程中pH值变化大且不稳定，导致实验重复难度高。此次，研究团队采用了混合碱稳定的pH体系，成功解决了上述问题。
AT1基因改造后，作物更耐盐碱
据谢旗介绍，由于常用的模式植物拟南芥是甜土植物，其适应性进化的耐盐碱遗传信息可能存在缺陷，导致相关研究未有突破。为解决耐碱研究的材料选择瓶颈问题，研究团队采用了起源于非洲中部贫瘠土地的高粱作为实验材料。当地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。
“我们拥有来自全球的大量高粱资源，有些来自盐碱土地。植物会适应环境进行进化，如果环境非常恶劣，土地盐碱化程度高，植物就会突变一些基因使其更耐盐碱。”他说，2017年起，科研团队与合作者独辟蹊径，首先通过全基因组大数据，关联分析耐盐碱差异大的高粱资源，发现了一个主效耐碱基因AT1，该基因与水稻的粒形调控基因GS3同源。
吉林白城高碱部分区域种上了经AT1/GS3改良过的水稻。中国科学院遗传与发育生物学研究所供图
谢旗进一步解释称，AT1是主效控碱基因，AT1基因通过改造后，高粱会更耐盐碱。
科研人员借助特异性荧光探针系统发现，在高盐碱胁迫中，AT1通过调控水通道蛋白的磷酸化，来调节在逆境情况下的水通道蛋白活性，水通道蛋白负责将在逆境情况下产生的ROS（活性氧物质）泵到细胞外，降低过氧化应激，由此首次揭示了作物耐碱的分子机制。科研人员还在水稻、玉米、小麦和谷子中改造了AT1基因，均发现作物更耐盐碱，即AT1的调控机制在上述作物中同样适用。
大田实验中高粱等作物增产
在重大理论突破基础上，合作团队对高粱进行耐盐碱育种改良，在pH值为9.10的宁夏平罗盐碱地进行的大田实验表明， AT1基因改造能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%。
团队进一步将AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物——水稻、小麦、玉米和谷子等的耐盐碱性。在pH值为9.17的吉林大安盐碱地，不同作物年增产约22.4%-27.8%；在pH值为9.10的宁夏平罗盐碱地，谷子增产19.5%。科研人员还发现，改造这一基因也能显著增强玉米在盐碱地中的存活率。
由此可见，AT1基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望在推进我国粮食安全中盐碱地综合利用的国家战略方面发挥重要作用。研究者预测，如果在全球20%的盐碱地中利用该基因技术，将明显提高盐碱地产能，每年可为全球增产至少2.5亿吨粮食。
未来，百姓何时能吃上这些耐盐碱的作物？谢旗表示，科研人员已经在自然界中发现，有的水稻品种含有AT1/GS3基因的耐盐碱自然变异形式，导入这种自然变异形式的6个北方水稻品种种植面积较大，且已走上百姓餐桌。“水稻不仅耐盐碱，且粒长变长了，长粒米受到南方百姓欢迎，售价也更高一些。”
谢旗同时表示，此项研究成果已经申请了国际专利保护。“其未来的推广应用，我们是有自主知识产权的。”
这项研究成果在审稿过程中得到审稿人的高度评价，其中一名审稿人表示，这项工作综合多种前沿的生物技术，并在多种植物中揭示了耐盐碱的重大科学问题。
新京报记者张璐
责任编辑：刘德宾
