盐碱地“变身”高产地 科学家找到关键基因

在一片与人齐肩的高粱地里，一群人有的戴着太阳帽，有的拿着还未喝完的矿泉水，簇拥在一起照了张合照。这是中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗团队在农场工作的一张普通的合影，但照片上面的致谢名单却并不普通，上面有中国科学院院士、植物分子遗传学家李家洋，有中国科学院院士、作物遗传育种和植物分子生物学家张启发，还有三位教授、两位研究员等。在3月22日中国科学院举行的媒体通气会上，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗在介绍完一项重大成果后展示了这张照片和致谢名单。

正是这张照片里的科研团队，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上的产量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。这一重要研究成果于北京时间2023年3月24日发表于国际学术期刊《科学》(Science)和《国家科学评论》(National Science Review)。

如何把盐碱地变为高产地，在世界范围内都是一个难题。

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，其中盐碱化土壤约占盐渍化土壤的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。

谢旗说，盐碱地分为盐化土壤和盐碱化土壤两种主要类型，盐化土壤主要是含有氯化钠、硫酸钠等中性盐，pH值(酸碱值)接近中性。他说，“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。”

据他介绍，盐碱化土壤主要由碳酸钠或碳酸氢钠等引起，过去的研究方法主要利用碳酸钠或碳酸氢钠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，研究团队采用了混合碱(碳酸钠:碳酸氢钠=1:5)稳定的pH体系。

“另外由于常用的拟南芥等模式植物是甜土植物，适应性进化耐盐碱遗传信息可能存在缺陷而导致相关研究未有突破。因此为解决耐碱研究的材料选择瓶颈问题，我们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。”谢旗说。

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十家科研机构、高校、企业进行合作，独辟蹊径，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。他们首次揭示了植物(作物)耐盐碱的分子机制。另外还发现AT1的调控机制在主要粮食作物水稻、小麦、玉米及谷子中也存在。

基础科研的探索，在农田里得到了答案。

合作团队对高粱进行耐盐碱育种改良，以宁夏平罗盐碱地(pH值为9.10)进行的大田实验表明，AT1/GS3基因的利用能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量(青贮用)增加近30.5%。在吉林大安盐碱地(pH值为9.17)水稻增产约22.4%-27.8%，在宁夏平罗盐碱地(pH值为9.10)谷子增产19.5%。

“我们同时发现该基因的改造也能显著增强玉米在盐碱地的存活率。” 谢旗说。

有审稿人给该项研究留下了这样一段评价：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。另一位审稿人对此研究高度称赞，认为研究涉及了多种农作物，而且工作量巨大;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。

“耐碱性改良关键基因AT1的研究成果，就是面向我国农业生产的重大需求，从基础研究着手解决实际问题的典型案例。”在中国科学院遗传与发育生物学研究所副所长黄勋看来，AT1基因的发现及应用研究，不仅首次揭示了作物耐盐碱的分子机制，还证明该基因可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等耐盐碱作物种质产量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。

未来，中国科学院遗传与发育生物学研究所的科学家们把目光投向了更艰难的“战役”：“盐碱地适生作物创制与产能提升技术体系”重点任务、“黄河三角洲耐盐碱品种创制与综合利用技术示范”项目，重点攻关盐碱地种业创新，促进盐碱地综合利用和产业化发展。

“我们要把饭碗牢牢地端在自己的手里。”此前谢旗研究组在国际上首次揭示了鸟选择性取食不同品种高粱的机理和高粱种子包壳程度的调控机制，利用基因编辑技术培育出全球第一个稻花香型高粱新品系。所培育的耐盐碱甜高粱品种，在我国东部、北部及西部盐碱等贫瘠土地已推广和种植了50多万亩，为我国脱贫攻坚及乡村振兴作出了贡献。

此次研究成果由中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队与中国农业大学、华中农业大学、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科研单位、高校、企业合作完成的。

“通过强化团队攻关、优化资源配置和评价体系等系列改革与保障措施，多学科联合攻关，突破盐碱地综合利用的重大科学问题和关键技术瓶颈，为保障我国粮食安全作出新的更大的贡献。”黄勋对未来充满信心。