中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)耐堿基因！糧食增產(chǎn)指日可待

2023年3月24日凌晨，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所科研團(tuán)隊，與中國科學(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、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、寧夏大學(xué)、揚州大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國，八家單位合作在頂級科學(xué)雜志《Science》上刊發(fā)了一篇重大研究成果：發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制，并在大田實驗驗證了該基因可以顯著提高高粱、水稻、小米和玉米等作物產(chǎn)量。

這是一個能落到實地的研究，而且有大田證據(jù)。這篇文章到底具體講了什么內(nèi)容呢？我們來為大家做一個解讀。

01，鹽堿地——我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大威脅

地大物博，相信這是很多人都熟悉的一個詞。擁有960萬平方公里面積的祖國，養(yǎng)育了數(shù)千年的華夏兒女，直到今天，這片土地依然是14億人賴以生存的根。

然而，你也一定聽到過另一句話：“中國用占世界7%的耕地，養(yǎng)活著世界22%的人口”，這是我國創(chuàng)造的另一個奇跡，也是一種無奈。因為我國的耕地面積實在是太少了，所以這些年，我國每年的一號文件都是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的，民以食為天，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是繁榮的基石。

但是，有一個問題，卻對我們的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重要的威脅，那就是耕地鹽堿化！

不知道你見沒見過鹽堿地，一片很好的土地，上面卻是白茫茫的一片，不是霜雪，而是鹽堿富集，這樣的鹽堿地，別說農(nóng)作物，就是那些非常頑強(qiáng)的野草也難以生長，往往成為了不毛之地。

鹽堿地（圖片來源：FAO）

鹽堿地是鹽地和堿地的合稱，受中性鈉鹽（比如氯化鈉和硫酸鈉）影響的土壤叫鹽地，而受堿解鈉鹽（如碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉）影響的土壤稱為堿地。

02，鹽堿地是如何形成的呢？

那么，鹽堿地是如何形成的呢？本質(zhì)上在于土壤中的鹽離子不平衡。而這個不平衡，是多重因素造成的。土壤水分是鹽離子的重要來源，無論是河流湖泊，還是地下水灌溉，或者化肥的使用，都會帶來鹽離子。如果這些鹽離子的量超出了植物的吸收能力，且無法被其他因素清除掉，這些離子就會隨著水分的蒸發(fā)，在土壤中不斷聚集，最終就會導(dǎo)致土壤出現(xiàn)鹽堿化。

水和鹽堿地形成的關(guān)系（圖片來源：FAO）

土地鹽堿化和農(nóng)業(yè)息息相關(guān)，因此直接威脅著我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，比如著名的黑土地，也是養(yǎng)育了無數(shù)中華兒女的北大倉，因為多年持續(xù)耕作，鹽堿地面積逐步擴(kuò)大，從1950年的2.4萬平方公里擴(kuò)張到2016年的3.9萬平方公里，不少土地也從輕度鹽堿化變成了中重度的鹽堿化。

事實上，不只是東北，從東海之濱到西北邊疆，從炎熱的海南到寒冷的松嫩平原，都有鹽堿地的分布，如果再加上土地酸化、黑土地退化，涉及的耕地已經(jīng)多達(dá)6.6億畝。這是什么樣的規(guī)模？按照2022年第三次全國國土調(diào)查，我國的耕地面積是19.18億畝，那么相當(dāng)于三分之一的耕地面積面臨“三化”問題，這將極大地威脅到我國的糧食安全，威脅到國計民生。

鹽堿地

正因如此，繼2022年中央一號文件提出鹽堿地的綜合利用規(guī)劃和實施方案，2023年中央一號文件繼續(xù)關(guān)注鹽堿地問題，今年更是特別提出了“持續(xù)推動由主要治理鹽堿地適應(yīng)作物向更多選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地轉(zhuǎn)變，做好鹽堿地等耕地后備資源綜合開發(fā)利用試點?！?/p>

而這，也和今天我們這篇文章息息相關(guān)，那就是：開發(fā)耐鹽堿的植物。

03，如何尋找植物耐鹽堿基因？

生命總是擁有最頑強(qiáng)的毅力，能夠在意想不到的地方生存。

盡管鹽堿地對于很多農(nóng)作物來說可謂死地，但是，總有一些例外的存在，這就是植物強(qiáng)大的抗逆性，也就是植物抵抗某些不利環(huán)境的性狀，比如抗寒、抗旱、抗病蟲害，當(dāng)然，也包括耐鹽堿。其背后，是植物基因在發(fā)揮作用。

那么，如何尋找耐鹽堿基因呢？今天這篇Science給了我們一個經(jīng)典示范，讓我們來全面的了解一下。

第一步：選擇一種合適的植物。

耐鹽堿植物倒是有不少，但是許多植物往往具有地理分布特異性，因此其耐鹽堿機(jī)制也就有了局限性，我國國土幅員遼闊，涵蓋了熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶各種氣候帶，因此要尋找一種能夠分布廣泛、跨度變化大的作物作為研究對象至關(guān)重要。

傳統(tǒng)研究喜歡用經(jīng)典的模式植物——擬南芥，但是這種植物并不是起源于鹽堿地，所以在研究耐鹽堿的時候有天然缺陷。

經(jīng)過廣泛的調(diào)研和實驗，科學(xué)家選擇了高粱這種耐鹽堿作物作為研究對象。高粱是一種起源于非洲中部貧瘠土地的作物，并擴(kuò)散到了全世界。這種能夠跨多個區(qū)域、在不同鹽堿度土壤中生存的能力，足以證明其擁有較強(qiáng)的耐鹽堿能力。

高粱（圖片來源：Wikipedia）

第二步：合適的研究體系。

有了合適的耐鹽堿植物，接下來，就需要有合適的研究體系。土壤鹽堿化主要是由碳酸鈉或碳酸氫鈉等引起。傳統(tǒng)研究為了模擬土壤鹽堿化，主要是用這兩種堿來調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的堿度。但是這種調(diào)節(jié)過程卻容易出現(xiàn)pH值不穩(wěn)定的問題，結(jié)果就是，實驗體系不穩(wěn)定，重復(fù)難度提高了。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的鹽堿地實驗體系，研究團(tuán)隊經(jīng)過多次嘗試，最后確定了混合堿（碳酸鈉t:碳酸氫鈉=1:5）體系，這個體系能夠讓實驗穩(wěn)定地進(jìn)行。

有了上述研究，接下來就是探究高粱的耐鹽堿基因了。

第三步：全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，分析尋找耐鹽堿基因

基因決定性狀，植物耐鹽堿背后的因素是基因，為了尋找高粱的耐鹽堿基因，研究人員首先收集了許多耐鹽堿高粱資源，這些高粱的耐鹽堿度存在較大的區(qū)別。

不同高粱在實驗室構(gòu)建的穩(wěn)定鹽堿體系下生長情況（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

接下來，采用全基因關(guān)聯(lián)分析的辦法，科學(xué)家獲取了各種高粱的基因資源，然后根據(jù)其耐鹽堿的性狀，對性狀和全基因組進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，最終，研究人員成功地定位到了一個關(guān)鍵基因：AT1。

通過全基因組關(guān)聯(lián)分析找到的顯著信號基因AT1（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

而對AT1基因的驗證，也佐證了AT1對于植物耐鹽堿過程的重要作用，比如，在高粱里，AT1基因明顯和高粱對于鹽堿的耐受有關(guān)，在高鹽堿培養(yǎng)條件下（75mM Alkali），過表達(dá)AT1（SbAT1-OE）的生長效果明顯不如對照組（SbWT），更不如AT1敲除組（SbAT1-KO）。

AT1基因在高粱耐鹽堿中起重要作用（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

不僅如此，在多種禾本科植物中，AT1基因也是保守的，而且能夠發(fā)揮效果，這可意義匪淺，要知道，禾本科是我們的農(nóng)作物大戶，玉米、水稻、谷子都是禾本科的。

AT1基因在多種農(nóng)作物中均有效果（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

04，AT1基因到底是如何應(yīng)對鹽堿威脅呢？

那么這個AT1基因到底是如何應(yīng)對鹽堿威脅呢？研究人員分別在哺乳動物和作物系統(tǒng)模型中對這個基因進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AT1基因主要是通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化（plasma membrane intrinsic protein 2s (PIP2s)）來應(yīng)對高鹽堿脅迫。

AT1基因通過PIP2s來響應(yīng)鹽脅迫（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

此外，高鹽脅迫情況下，植物還會產(chǎn)生ROS（活性氧物質(zhì)），這種物質(zhì)本身對植物也是一種傷害，而AT1基因還能通過調(diào)節(jié)PIPs來影響ROS外排，這是科學(xué)家首次揭示高等生物高抗鹽堿的分子機(jī)制。

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

05，大田實驗佐證AT1的效果

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)——大田實驗佐證AT1的效果

其實科學(xué)家對耐鹽堿的機(jī)制研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，也找到了不少耐鹽堿基因，但是不少研究當(dāng)走到實踐中時卻遇到了諸多問題。那么，這次科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的耐鹽堿基因AT1到底能不能在實踐應(yīng)用中發(fā)揮作用呢？

研究人員決定在大田中對這個基因的效果進(jìn)行檢驗。

首先是高粱，研究團(tuán)隊對高粱進(jìn)行了耐鹽堿育種改良，然后開展大田實驗。這次選擇的寧夏平羅鹽堿地，pH值高達(dá)8.5-9.1，屬于中度的鹽堿地。

結(jié)果非常喜人。

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%。這一成果表明，AT1不僅機(jī)制可行，而且在實踐中效果顯著。

AT1基因敲除增加高粱在鹽堿地上的產(chǎn)量（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

當(dāng)然，AT1基因的意義可不僅僅是調(diào)節(jié)高粱的耐鹽堿度， 這是一個在多種作物中均保守存在的基因，包括我們的重要糧食作物——水稻、玉米和谷子。

于是研究人員進(jìn)一步對這些作物進(jìn)行了大田實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AT1基因改良的小米，能夠在寧夏平羅鹽堿地上增產(chǎn)近19.5%，相當(dāng)于提高了五分之一的產(chǎn)量。AT1基因改良的玉米在鹽堿地中的存活率同樣顯著增強(qiáng)。

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（圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

而且，這個基因也顯示出了很好的跨區(qū)域效果。

在距離寧夏平羅1600多公里遠(yuǎn)的東北吉林大安鹽堿地，pH更是高達(dá)9.17。研究人員種植了AT1基因修飾改善的水稻、小米和玉米，結(jié)果，不同作物的年增產(chǎn)約為24.1%～27.8%，提高幅度達(dá)到了四分之一。

（AT1/GS3敲除提高鹽堿地水稻的產(chǎn)量 （圖片來源：中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所））

大田實驗研究充分證明了AT1基因的強(qiáng)大，它能夠直接讓植物在鹽堿地中存活得更好，產(chǎn)量增加。

06，功在當(dāng)代，利在千秋

民以食為天，糧食問題事關(guān)全人類的根本利益。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告，在當(dāng)前，全球有45個國家需要糧食援助，其中有6個國家的部分民眾面臨最高程度的糧食匱乏，即將陷入災(zāi)難性饑餓。此外，還有數(shù)百萬人面臨嚴(yán)重饑餓。

而鹽堿地往往發(fā)生在耕地中，嚴(yán)重威脅著糧食安全，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，截至2015年，全球有超過10億公頃土地存在鹽堿化問題，而全世界的耕地才15億公頃。如果我們能夠開發(fā)哪怕20%的鹽堿地，都將給全球至少貢獻(xiàn)2.5億噸的糧食增產(chǎn)。這將極大地緩解糧食危機(jī)，讓更多的人免于饑餓。

所以，開發(fā)出更多的耐鹽堿作物，對于緩解全球糧食危機(jī)、拯救更多的生命意義巨大。

特別值得一提的是，這次研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的AT1基因，對于重要禾本科作物水稻、玉米和谷子的效果非常顯著，要知道，玉米和水稻可是全球產(chǎn)量第一和第二的農(nóng)作物，是全世界人民的主要糧食來源，因此這個基因改良的作物如果能廣泛推廣，將給全球帶來重大的變化。

可以說，功在當(dāng)代，利在千秋！