“這是全球10億公頃鹽堿地的福音。”“這項(xiàng)研究為未來培育耐鹽堿植物，打開了一扇大門。”“鹽堿地有救了!”……在中國(guó)科學(xué)院召開的新聞發(fā)布會(huì)上，專家們對(duì)3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》上的作物耐堿研究成果贊不絕口。

【資料圖】

以耐鹽堿作物高粱為材料，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團(tuán)隊(duì)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)合十家科研單位合作，找到了作物耐鹽堿的“密碼”。他們發(fā)現(xiàn)了作物的主效控堿基因AT1及其作用機(jī)制。

更重要的是，鹽堿地實(shí)驗(yàn)證明，敲除該基因可顯著提升高粱、水稻、玉米、小麥和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量。

從高粱入手揭開耐堿奧秘

鹽堿地有兩種類型，分別是鹽化土壤和堿化土壤。很多重度鹽堿地的表面都蓋著一層“白被子”，由于土壤表層鹽類、堿類集積，上面幾乎寸草不生。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃鹽堿地不能被有效利用，其中堿化土壤約占鹽堿地的60%。

“目前全球在植物耐鹽研究方面方法較成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，發(fā)表的論文有20000多篇;但對(duì)于植物耐堿機(jī)制，我們卻仍然了解甚少，發(fā)表的論文僅457篇。”謝旗坦言。

“高粱起源于高鹽堿的非洲薩赫勒地區(qū)，它能夠適應(yīng)各種鹽堿地，具有高度豐富的耐堿性遺傳資源。”謝旗等研究人員瞄準(zhǔn)高粱，希望能夠從高粱入手，揭開其耐堿的奧秘。

通過對(duì)高粱進(jìn)行全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，研究人員很快就發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效調(diào)控耐堿的基因AT1，與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。同時(shí)，利用特異性熒光探針系統(tǒng)，研究人員首次揭示了作物高抗鹽堿的分子機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，在高鹽堿環(huán)境中，AT1基因通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化來調(diào)節(jié)水通道蛋白的活性，并將多余的ROS(活性氧物質(zhì))排到細(xì)胞外，以降低作物的氧化應(yīng)激反應(yīng)。

另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)AT1在主要糧食作物水稻、玉米、小麥及谷子的調(diào)控機(jī)制，也與高粱相似。

田間實(shí)驗(yàn)增產(chǎn)效果顯著

在重大理論突破的基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了大田試驗(yàn)。在寧夏平羅鹽堿地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AT1基因的利用能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%，全株生物量增加近30.5%。

同時(shí)，研究人員進(jìn)一步將AT1基因用于改善水稻、谷子和玉米等作物的耐鹽堿性，在吉林大安鹽堿地，水稻不同年份增產(chǎn)22.4%-27.8%，在寧夏平羅鹽堿地谷子增產(chǎn)近19.5%。研究人員發(fā)現(xiàn)，敲除該基因也能顯著增強(qiáng)玉米在鹽堿地的存活率。

這項(xiàng)研究成果也得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)。一位審稿人稱，該工作綜合多種前沿的生物技術(shù)，在多種植物中揭示了耐鹽堿的重大科學(xué)問題。另一位審稿人表示，這項(xiàng)研究揭示一個(gè)重要的禾本科作物保守的生物學(xué)機(jī)制，該遺傳學(xué)機(jī)制揭示了植物界基礎(chǔ)科學(xué)重大問題，是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)。第三位審稿人則認(rèn)為，該研究涉及了多種農(nóng)作物，而且工作量巨大;目前關(guān)于重要耐堿的位點(diǎn)未被解析，這個(gè)工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破。

研究人員預(yù)測(cè)，如果全球20%的鹽堿地種植AT1基因改良的作物，可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食，從而提高鹽堿地產(chǎn)能。該基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景，有望為支撐我國(guó)國(guó)家糧食安全及鹽堿地綜合利用的國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)揮重要作用。

(圖片由中科院遺傳發(fā)育所提供)

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