盐碱地也能大丰收 新发现助力我国国家粮食安全

 

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，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3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》杂志上。

 

 

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，其中盐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。盐碱地分为盐化土壤和碱化土壤两种主要类型，其中盐化土壤主要含有NaCl、Na₂SO₄等中性盐，pH值接近中性。目前全球在植物耐盐研究方面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，因此研究团队此次采用了混合碱（Na₂CO₃:NaHCCO₃=1:5）稳定的pH体系。另外，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，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，本研究采用了起源于非洲中部贫瘠土地的高粱作为实验材料。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。

 

中科院遗传发育所谢旗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资源，发现一个主效耐碱基因AT1，该基因与水稻的粒形调控基因GS3同源。同时，利用植物荧光探针系统发现，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水通道蛋白的活性，并将逆境导致产生的ROS（活性氧物质）泵到细胞外降低氧化应激，首次揭示了作物耐盐碱的分子机制。此外，研究人员还发现AT1的调控机制在主要粮食作物水稻、小麦、玉米及谷子中也保守存在。

 

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（pH 9.10）进行的大田实验表明，AT1基因的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%。研究人员进一步将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）的实验表明水稻年增产22.4-27.8%，在宁夏平罗盐碱地（pH 9.10）的实验表明谷子增产19.5%，同时发现该基因的修饰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。2022年，宁夏省平罗县盐碱地中（盐含量0.6%，pH 8.5）SbWT和SbAT1^ko的生长表型。

 

该研究成果得到审稿人的高度评价，认为：该工作综合多种前沿的生物技术并在多种植物中揭示耐盐碱的重大科学问题；发现了一个重要的禾本科作物保守的生物学机制，该遗传学机制揭示了植物界基础科学重大问题，是科学界的重大发现；该研究涉及多种农作物且工作量巨大，目前关于重要耐碱的位点未被解析，这个工作是农业生产方面的重大突破。

 

 

2022年，吉林省大安市盐碱地中（盐含量0.3%，pH 9.1）中水稻GS3 近等基因系的生长表型。

 

除科学机制研究的创新外，研究团队表示，AT1基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望为支撑我国粮食安全中盐碱地综合利用国家战略发挥重要作用。

 

该研究得到中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金委/山东联合重点基金的支持。

 

 

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。

 

 

来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所