中國科學家揭示作物在鹽鹼地增産的“基因密碼”

中國網/中國發展門戶網訊 聯合國糧農組織調查數據顯示，截止到2015年，全球超過10億公頃鹽漬化土壤因鹽鹼程度過高而不能被有效利用，其中鹽鹼化土約佔鹽漬化土壤的60%。據資料顯示，我國鹽鹼地面積達近一億公頃。如何讓適合的作物在鹽鹼地上增産，成為保障糧食安全的重要研究方向之一。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十家科研單位合作,以耐鹽鹼作物高粱為材料，首次發現主效耐鹼基因AT1及其作用機制。大田實驗證明該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和穀子等作物在鹽鹼的地産量，在改良鹽鹼地綜合利用中具有重大應用前景。相關研究于北京時間2023年3月24日發表于《科學》和《國家科學評論》。

據介紹，鹽鹼地分為鹽化土壤和鹼化土壤兩種主要類型，鹽化土壤主要是含有NaCl、Na2SO4等中性鹽，pH值接近中性。目前全球在植物耐鹽研究方面方法較成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，但對於植物（作物）耐鹼機制仍了解較少。

中科院遺傳發育所謝旗研究員領銜的科研團隊與合作者獨闢蹊徑，首先通過全基因組大數據關聯分析耐鹽鹼差異大的高粱資源，發現一個主效耐鹼基因AT1，該基因與水稻的粒形調控基因GS3同源。同時利用熒光探針特異性系統發現在高鹽鹼脅迫中，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，並將逆境導致産生的ROS（活性氧物質）泵到細胞外降低氧化應激，首次揭示了作物耐鹽鹼的分子機制。另外還發現AT1的調控機制在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及穀子中也保守。

AT1調控的鹽鹼脅迫響應機制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽鹼地上的産量。

在重大理論突破基礎上，合作團隊對高粱進行耐鹽鹼育種改良，在寧夏平羅鹽鹼地（pH 9.10）進行的大田實驗表明，AT1基因敲除能夠使高粱籽粒增産20.1%，全株生物量（青貯用）增加近30.5%。進一步將AT1/GS3用於改良主要禾本科作物水稻、穀子和玉米等的耐鹽鹼性，在吉林大安鹽鹼地（pH 9.17）不同年份水稻增産22.4-27.8%，在寧夏平羅鹽鹼地（pH 9.10）穀子增産19.5%，同時發現對該基因的敲除也能顯著增強玉米和小麥在鹽鹼地的存活率。

AT1/GS3敲除和自然缺失增強高粱和水稻對鹽鹼脅迫的抗性

（A）2022年，寧夏省平羅縣鹽鹼地中（鹽含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1^ko的生長表型。

（B）2022年，吉林省大安市鹽鹼地中（鹽含量0.26%，pH 9.1）中水稻GS3近等基因係的生長表型。

該研究成果在審稿過程中得到審稿人的高度評價。審稿人表示，“該工作綜合多種優化的技術及在多種植物中揭示耐鹽鹼的重大科學問題。”“揭示一個重要的禾本科作物保守的生物學機制，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。”“該研究涉及了多種農作物，而且工作量巨大；目前關於重要耐鹼的位點未被解析，這個工作是農業生産方面的重大突破。”

研究團隊表示，AT1基因在提高作物耐鹽鹼性方面有巨大的應用前景，有望為支撐我國國家糧食安全中鹽鹼地綜合利用的國家戰略發揮重要作用。研究者預測，如果全球20%鹽鹼地利用該基因，可每年為全球增産至少2.5億噸糧食，從而提高鹽鹼地産能。