“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》和《國家科學評論》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，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗研究員團隊與中國農業(yè)大學于菲菲教授團隊、華中農業(yè)大學歐陽亦聃教授團隊聯(lián)合10家科研單位，找到了作物耐鹽堿的“密碼”。他們發(fā)現了作物的主效控堿基因AT1及其作用機制。
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量。
亟須探索作物耐堿機制
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)合國糧農組織調查數據顯示，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;但對于植物耐堿機制，我們卻仍然了解甚少，發(fā)表的論文僅457篇?！敝x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性。這讓科研人員無法深入探索作物的耐堿機制，更加難以將研究結果匹配到生產中。
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)，它能夠適應各種鹽堿地，具有高度豐富的耐堿性遺傳資源?！敝x旗說。
通過對高粱進行全基因組大數據關聯(lián)分析，科研人員很快就發(fā)現一個與作物產量呈負相關的主效調控耐堿的基因AT1，與水稻的粒形調控基因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制。在高堿的環(huán)境中，作物會產生有害的ROS(活性氧物質)，誘導更高的氧化應激損傷。他們發(fā)現，敲除基因AT1可以增強水通道蛋白的磷酸化水平，進而調節(jié)水通道蛋白的活性，并將多余的ROS排到細胞外，以降低作物的氧化應激損傷。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AT1在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中的調控機制，也與高粱相似。
大田實驗增產效果顯著
在重大理論突破的基礎上，科研人員也進行了大田實驗。在寧夏平羅鹽堿地的實驗結果表明，敲除AT1能夠使高粱籽粒增產20.1%，全株生物量增加近30.5%。
同時，科研人員進一步將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22.4%—27.8%，在寧夏平羅鹽堿地谷子每畝增產近19.5%。此外，他們發(fā)現，敲除該基因也能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。
科研人員預測，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。
責任編輯：陸迪
