“這是全球10億公頃鹽堿地的福音”“這項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”……在中國科學(xué)院召開的新聞發(fā)布會上，專家們對3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》上的作物耐堿研究成果贊不絕口。
以耐鹽堿作物高粱為材料，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗研究員團(tuán)隊與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲教授團(tuán)隊、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃教授團(tuán)隊聯(lián)合10家科研單位，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，鹽堿地實驗證明，敲除該基因可顯著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量。
亟須探索作物耐堿機(jī)制
鹽堿地有兩種類型，分別是鹽化土壤和堿化土壤。由于土壤表層鹽類、堿類集積，很多重度鹽堿地幾乎寸草不生。
聯(lián)合國糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃的鹽堿地不能被有效利用，其中堿化土壤面積約占鹽堿地的60%。
“目前全球在植物耐鹽方面研究力量集中，已取得了很多成果，發(fā)表的論文有2萬多篇;但對于植物耐堿機(jī)制，我們卻仍然了解甚少，發(fā)表的論文僅457篇。”謝旗坦言。
為何植物耐堿的研究如此欠缺呢?其中一個原因是實驗室模式植物如擬南芥，通常并非起源于鹽堿地，因此缺乏耐堿遺傳適應(yīng)性。這讓科研人員無法深入探索作物的耐堿機(jī)制，更加難以將研究結(jié)果匹配到生產(chǎn)中。
揭開高粱耐堿奧秘
為了找到合適的實驗室模式植物，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。
“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。”謝旗說。
通過對高粱進(jìn)行全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，科研人員很快就發(fā)現(xiàn)一個與作物產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)的主效調(diào)控耐堿的基因AT1，與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。
同時，利用特異性熒光探針系統(tǒng)，他們首次揭示了作物高抗鹽堿的分子機(jī)制。在高堿的環(huán)境中，作物會產(chǎn)生有害的ROS(活性氧物質(zhì))，誘導(dǎo)更高的氧化應(yīng)激損傷。他們發(fā)現(xiàn)，敲除基因AT1可以增強(qiáng)水通道蛋白的磷酸化水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)水通道蛋白的活性，并將多余的ROS排到細(xì)胞外，以降低作物的氧化應(yīng)激損傷。這樣，作物就可以順利地在鹽堿地生存了。
另外，科研人員還發(fā)現(xiàn)AT1在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中的調(diào)控機(jī)制，也與高粱相似。
大田實驗增產(chǎn)效果顯著
在重大理論突破的基礎(chǔ)上，科研人員也進(jìn)行了大田實驗。在寧夏平羅鹽堿地的實驗結(jié)果表明，敲除AT1能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%，全株生物量增加近30.5%。
同時，科研人員進(jìn)一步將AT1用于改善水稻、玉米和谷子等作物的耐鹽堿性，在吉林大安鹽堿地，水稻不同年份每畝增產(chǎn)22.4%—27.8%，在寧夏平羅鹽堿地谷子每畝增產(chǎn)近19.5%。此外，他們發(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。
科研人員預(yù)測，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。該基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景，有望為支撐國家糧食安全及鹽堿地綜合利用發(fā)揮重要作用。(陸成寬)
編輯：郭成
