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(fā)表了一項中國科學家?guī)淼闹卮笸黄?。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗團隊與中國農業(yè)大學于菲菲團隊、華中農業(yè)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(fā)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?！拔覀兊南嚓P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(fā)育所謝旗研究員說。

　　甜高粱有密碼

　　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(fā)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(fā)的高粱品種，可否開發(fā)到更靠北的土地上？深入研究下去，他們果然發(fā)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(xiāng)村振興作出了貢獻。

　　在鹽堿地上，甜高粱再立大功。

　　高粱是優(yōu)秀的抗逆先鋒作物，能在各種不利環(huán)境中成長，抗旱、抗?jié)场⒛望}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(fā)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(chuàng)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(chuàng)性的研究，也需要開創(chuàng)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(jié)實驗系統(tǒng)堿度進行實驗，處理過程中酸堿度變化大且不穩(wěn)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(wěn)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”?？蒲袌F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(fā)現一個主效控堿基因AT1。研究者發(fā)現，缺失AT1基因的高粱材料更耐堿。

　　中科院遺傳發(fā)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(jié)在逆境情況下水通道蛋白的活性。簡單地說，高鹽堿環(huán)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?！蹦戏娇萍即髮W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(fā)育所李家洋研究員在候機廳短暫交流發(fā)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(yè)大學、華中農業(yè)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(yè)生態(tài)研究所、寧夏大學、揚州大學、北京大學現代農業(yè)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(fā)利用。充分開發(fā)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(fā)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(yè)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?！敝锌圃哼z傳發(fā)育所副所長黃勛說。

　　2019年，針對我國糧食安全、生態(tài)安全及供給側改革的重大戰(zhàn)略需求，以有組織推進戰(zhàn)略導向的體系化基礎研究為特色，由中科院遺傳發(fā)育所李家洋院士擔任首席科學家的“種子精準設計與創(chuàng)造”前瞻戰(zhàn)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(fā)現及應用研究，被列入該先導專項中的“環(huán)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?！敝袊茖W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(fā)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(zhàn)略發(fā)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。 （記者 佘惠敏）

　　轉自：經濟日報

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