中国科学家揭示作物耐碱基因，可大幅提升盐碱地高粱小麦产量
2023-03-24 13:46:50 南方都市报
想象一个场景，在一片白花花的盐碱地上，大片的高粱、玉米、谷子等作物迎风摇曳，呈现一派丰收景象。近日，中国科学家的一项研究，或将这一场景很快成为现实。
南都记者获悉，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教授于菲菲团队、华中农业大学教授欧阳亦聃团队联合十家科研单位合作，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。3月24日，相关成果研究在国际著名学术期刊《科学》和《国家科学评论》杂志发表。
(资料图)
联合国粮农组织调查数据显示，截至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%。研究者预测，如果全球20%盐碱地利用该基因，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。
AT1调控的盐碱胁迫响应机制及AT1的利用可以提高多种作物在盐碱地上的产量。
耐碱机制研究薄弱，高粱带来新突破
一直以来，在盐碱地的治理方面，科学界对植物耐盐机制的研究已经取得很多成果。相比之下，对于植物耐碱性机制的研究较少。“pH值高了以后，会影响植物对各种元素的吸收，像我们吃不了饭一样，植物就会慢慢凋亡。”谢旗称。
为何一直以来耐碱研究较为薄弱？据谢旗团队介绍，盐碱化土壤主要由Na CO和NaHCO等引起，过去的研究方法主要利用Na CO或NaHCO来调节实验系统碱度进行实验，在处理过程中pH值变化大且不稳定，导致实验重复难度高；此外，由于常用的拟南芥等模式植物起源非碱地，适应性进化耐碱遗传信息可能存在缺陷而导致相关研究未有突破。
此次为植物耐碱机制研究带来突破的是高粱。“高粱起源于土地贫瘠的非洲萨赫勒地区，该地区土壤盐碱度比较高，较其他主粮作物对盐碱胁迫有更好的耐受性，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。”遗传发育所谢旗研究员、中国农大于菲菲教授、华中农大欧阳亦聃教授等领衔的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群体资源，发现一个主效耐碱基因AT1。和很多人的第一反应不同，AT1基因的存在和植物耐碱性呈负相关。也就是说，缺失AT1基因或者改造该基因使其表达变低，作物的耐碱性就会增加。
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%，pH8.5)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%，pH9.1)中水稻GS3NILs的生长表型。
首次揭示作物抗盐碱的分子机制
具体来说，AT1基因调控作物耐碱性的机制是如何发挥作用的？谢旗研究员与中科院生物物理所陈畅研究员、中科院遗传发育所汪迎春研究员合作，通过细胞生物学、生物化学等学科的研究，发现“水通道蛋白”的调控通路。
植物细胞非常“聪明”，当它们受到盐碱胁迫时，会发生氧化应激反应，产生过氧化氢。过氧化氢的作用可以用“双刃剑”来形容：初期过氧化氢浓度较低时，会引发下游启动防御系统，就像发现敌情后紧急排兵布阵；但如果还防不住，过氧化氢浓度就会升高，启动“自毁系统”，对细胞产生毒害作用。
研究发现，作物细胞膜上的水通道蛋白PIP2s，能把过多的过氧化氢“泵”到细胞外，降低细胞内的过氧化氢浓度，从而阻止“自毁”发生。
而当AT1基因存在时，它会抑制水通道蛋白PIP2s发挥功能所必需的磷酸化，导致过量过氧化氢不能及时有效“泵”出细胞外。也就是说，当植物缺失AT1基因或者敲除该基因，水通道蛋白就能顺畅发挥作用，植物也就能在盐碱地中生存。
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，在宁夏平罗盐碱地(pH9.10)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基因用于改善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(pH9.17)水稻年增产约22.4%-27.8%，在宁夏平罗盐碱地(pH9.10)谷子增产近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。
吉林白城高碱部分区域种上了经AT1/GS3改良过的水稻。
中科院院士、中科院植物所研究员种康表示，“从基础研究到技术到产品，这项研究为我们展示了一个很好的案例。”
“我听后觉得非常兴奋，这是一个意义重大的突破，为我们将来培育耐盐碱的植物打开了一扇大门，同时对全球约10亿公顷的盐碱地是一个福音。”中科院遗传与发育生物学研究原所长陈受宜说。