天天微速訊：中國科學家實現育種技術重大突破——鹽堿地里多打糧

北京時間2023年3月24日凌晨3點，國際頂尖學術期刊《科學》和《國家科學評論》發表了一項中國科學家帶來的重大突破。中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗團隊與中國農業大學于菲菲團隊、華中農業大學歐陽亦聃團隊聯合10家科研單位，以耐鹽堿作物高粱為材料，在國際上首次發現主效控堿基因AT1及其作用機制。大田實驗證明，相關育種技術可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地上的產量，在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應用前景。

全球鹽堿地約有10億公頃。“我們的相關研究成果全部申請了專利，擁有自主知識產權。如果全球10億公頃鹽堿地里有20%采用該技術，每年就可為全球增產至少2.5億噸糧食。”論文通訊作者、中科院遺傳發育所謝旗研究員說。

甜高粱有密碼

(資料圖片)

甜！是謝旗對高粱的初印象。他在江蘇南通的農村長大，兒時物資匱乏，鹽堿地里的甜高粱稈兒成了他解饞的糖果。成年后走上科研道路，他跟鹽堿地里的高粱結下了不解之緣。

有一次，一批高粱試驗種子播到田里后，幾乎全部萌發失敗。團隊成員看著荒蕪的田地頗為沮喪，謝旗卻為田地中央一排細細的小苗而激動——當時田間氣溫只有12攝氏度，如此低溫還能萌發的高粱品種，可否開發到更靠北的土地上？深入研究下去，他們果然發現了耐寒的高粱新品種，讓甜高粱的種植范圍拓展到了齊齊哈爾、赤峰等地。

截至目前，謝旗團隊共培育了6個甜高粱國家登記品種，另外還有甜高粱及粒用高粱品系正在審定之中。團隊所培育的耐鹽堿甜高粱品種在我國東部、北部及西部鹽堿等貧瘠土地已推廣和種植了50多萬畝，為我國脫貧攻堅及鄉村振興作出了貢獻。

在鹽堿地上，甜高粱再立大功。

高粱是優秀的抗逆先鋒作物，能在各種不利環境中成長，抗旱、抗澇、耐鹽堿、耐瘠薄。2015年，謝旗開始了對高粱耐堿機理的基因層面研究。

全球10億公頃鹽堿地中，約四成為中性的鹽地，約六成為堿性的堿地。堿地中，除了含鹽還含堿性的碳酸鈉和碳酸氫鈉，條件比中性鹽地更為惡劣。研究植物如何耐鹽的論文多，已發布超過2萬篇；研究植物如何耐堿的論文則很少，才400多篇。

謝旗選擇的研究方向，既是開拓空白，符合基礎研究的原創需要，又是迎難而上，符合應用研究的市場需要。完成這個開創性的研究，也需要開創性的巧思。

植物選取有巧思：常用的擬南芥等模式植物起源于非堿地，屬于甜土植物，用它們做耐堿研究，可能存在耐堿基因的先天不足。謝旗團隊采用了起源于非洲中部貧瘠土地的高粱作為實驗材料，突破了耐堿研究的材料選擇瓶頸。

土壤調制有巧思：鹽堿化土壤主要由碳酸鈉或碳酸氫鈉等引起，過去的研究方法主要利用二者之一來調節實驗系統堿度進行實驗，處理過程中酸堿度變化大且不穩定，導致實驗重復難度高。謝旗團隊采用特定比例的混合堿，獲得了穩定的土壤酸堿度，實驗更容易重復驗證。

擴種更多作物

高粱擁有的基因數量超過3.7萬個，從中選取耐堿基因，堪稱“大海撈針”。科研團隊獨辟蹊徑，首先通過全基因組大數據關聯分析耐鹽堿差異大的高粱資源，發現一個主效控堿基因AT1。研究者發現，缺失AT1基因的高粱材料更耐堿。

中科院遺傳發育所汪迎春團隊和中科院生物物理所陳暢團隊加入了進來，相關分子機制研究取得突破。原來，AT1通過調控水通道蛋白的磷酸化來調節在逆境情況下水通道蛋白的活性。簡單地說，高鹽堿環境下，逆境導致活性氧物質ROS的產生。ROS濃度低時，細胞啟動防御機制；ROS濃度高時，細胞啟動自毀機制。敲除AT1基因，可以將逆境導致產生的過多ROS泵到細胞外，降低過氧化應激，阻止細胞自毀，植物的耐鹽堿能力就提高了。

作物高抗鹽堿的分子機制，就這樣首次被揭示出來。在重大理論突破基礎上，合作團隊對高粱進行耐鹽堿育種改良，敲除AT1，增加高粱在鹽堿地上的產量。

“科學家碰到一起閑聊不一定聊科學，但我每次碰到謝旗，他都要談自己的最新研究。”南方科技大學前沿生物技術研究院院長朱健康說。

而將這項研究從高粱推廣至其他作物的契機之一，來自一次機場的偶遇。2019年，謝旗和中科院院士、中科院遺傳發育所李家洋研究員在候機廳短暫交流發現，AT1基因在李家洋團隊培育的水稻品種中存在，在水稻中之前被命名為GS3基因。謝旗團隊聯合多家單位不斷擴大實驗范圍，在水稻、玉米、小麥、谷子等多種作物上廣泛開展了AT1基因的功能驗證。

越來越多的研究單位加入進來，中國農業大學、華中農業大學、中國科學院生物物理研究所、中國科學院東北地理與農業生態研究所、寧夏大學、揚州大學、北京大學現代農業研究院、山東大學和先正達集團中國……越來越多的作物加入進來，除了高粱，水稻、玉米、谷子、小麥也都成功了。大田試驗證實，AT1/GS3基因的敲除，能提高鹽堿地里高粱、水稻、谷子的產量和生物量，也能提高鹽堿土壤玉米的存活率。鹽堿地里糧滿倉，不再是一個夢。

推進綠色革命

耕地面積是保障糧食生產的首要因素。我國鹽堿地面積約15億畝，居世界第三，其中可利用的鹽堿地約5億畝。18億畝耕地紅線要守住，5億畝鹽堿地也要充分開發利用。充分開發利用鹽堿地，意味著要轉變育種觀念，由治理鹽堿地適應作物，向選育耐鹽堿植物適應鹽堿地轉變。

“今天發布的關于耐堿性改良關鍵基因AT1的研究成果，是面向我國農業生產的重大需求，從基礎研究著手解決實際問題的典型案例。”中科院遺傳發育所副所長黃勛說。

2019年，針對我國糧食安全、生態安全及供給側改革的重大戰略需求，以有組織推進戰略導向的體系化基礎研究為特色，由中科院遺傳發育所李家洋院士擔任首席科學家的“種子精準設計與創造”前瞻戰略科技先導專項（A類）正式啟動實施。其目標是引領分子育種到精準設計育種技術的跨越，加速推進新綠色革命。AT1基因的發現及應用研究，被列入該先導專項中的“環境智能響應性狀形成的分子基礎”課題，獲得了中科院先導專項的支持。此外，AT1基因研究還得到了國家自然科學基金委、山東聯合重點基金的支持。

“AT1基因能在多種作物中起到廣譜作用，是先導專項很好的范例成果。”中國科學院院士、中科院植物研究所研究員種康表示，該遺傳學機制揭示了植物界基礎科學重大問題，是科學界的重大發現。AT1基因在提高作物耐鹽堿性方面的巨大應用前景，有望為支撐我國國家糧食安全中鹽堿地綜合利用的國家戰略發揮重要作用。而相關育種技術不引入任何外源基因，其原理是自然界已經產生的基因變異，又為生物安全和未來推廣提供了多一重保障。 （經濟日報記者 佘惠敏）

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