中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)育種技術(shù)重大突破——鹽堿地里多打糧

　　北京時(shí)間2023年3月24日凌晨3點(diǎn)，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》和《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》發(fā)表了一項(xiàng)中國(guó)科學(xué)家?guī)?lái)的重大突破。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團(tuán)隊(duì)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽(yáng)亦聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)合10家科研單位，以耐鹽堿作物高粱為材料，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)主效控堿基因AT1及其作用機(jī)制。大田實(shí)驗(yàn)證明，相關(guān)育種技術(shù)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(chǎn)量，在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。

　　全球鹽堿地約有10億公頃?！拔覀兊南嚓P(guān)研究成果全部申請(qǐng)了專利，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。如果全球10億公頃鹽堿地里有20%采用該技術(shù)，每年就可為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅锌圃哼z傳發(fā)育所謝旗研究員說。

　　甜高粱有密碼

　　甜！是謝旗對(duì)高粱的初印象。他在江蘇南通的農(nóng)村長(zhǎng)大，兒時(shí)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(jié)下了不解之緣。

　　有一次，一批高粱試驗(yàn)種子播到田里后，幾乎全部萌發(fā)失敗。團(tuán)隊(duì)成員看著荒蕪的田地頗為沮喪，謝旗卻為田地中央一排細(xì)細(xì)的小苗而激動(dòng)——當(dāng)時(shí)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(xiàn)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(tuán)隊(duì)共培育了6個(gè)甜高粱國(guó)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(tuán)隊(duì)所培育的耐鹽堿甜高粱品種在我國(guó)東部、北部及西部鹽堿等貧瘠土地已推廣和種植了50多萬(wàn)畝，為我國(guó)脫貧攻堅(jiān)及鄉(xiāng)村振興作出了貢獻(xiàn)。

　　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(zhǎng)，抗旱、抗?jié)?、耐鹽堿、耐瘠薄。2015年，謝旗開始了對(duì)高粱耐堿機(jī)理的基因?qū)用嫜芯俊?/p>

　　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(wàn)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(chǔ)研究的原創(chuàng)需要，又是迎難而上，符合應(yīng)用研究的市場(chǎng)需要。完成這個(gè)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(tuán)隊(duì)采用了起源于非洲中部貧瘠土地的高粱作為實(shí)驗(yàn)材料，突破了耐堿研究的材料選擇瓶頸。

　　土壤調(diào)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(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堿度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理過程中酸堿度變化大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)難度高。謝旗團(tuán)隊(duì)采用特定比例的混合堿，獲得了穩(wěn)定的土壤酸堿度，實(shí)驗(yàn)更容易重復(fù)驗(yàn)證。

　　擴(kuò)種更多作物

　　高粱擁有的基因數(shù)量超過3.7萬(wàn)個(gè)，從中選取耐堿基因，堪稱“大海撈針”?？蒲袌F(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，首先通過全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析耐鹽堿差異大的高粱資源，發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效控堿基因AT1。研究者發(fā)現(xiàn)，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(tuán)隊(duì)和中科院生物物理所陳暢團(tuán)隊(duì)加入了進(jìn)來(lái)，相關(guān)分子機(jī)制研究取得突破。原來(lái)，AT1通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)在逆境情況下水通道蛋白的活性。簡(jiǎn)單地說，高鹽堿環(huán)境下，逆境導(dǎo)致活性氧物質(zhì)ROS的產(chǎn)生。ROS濃度低時(shí)，細(xì)胞啟動(dòng)防御機(jī)制；ROS濃度高時(shí)，細(xì)胞啟動(dòng)自毀機(jī)制。敲除AT1基因，可以將逆境導(dǎo)致產(chǎn)生的過多ROS泵到細(xì)胞外，降低過氧化應(yīng)激，阻止細(xì)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(jī)制，就這樣首次被揭示出來(lái)。在重大理論突破基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良，敲除AT1，增加高粱在鹽堿地上的產(chǎn)量。

　　“科學(xué)家碰到一起閑聊不一定聊科學(xué)，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(xué)前沿生物技術(shù)研究院院長(zhǎng)朱健康說。

　　而將這項(xiàng)研究從高粱推廣至其他作物的契機(jī)之一，來(lái)自一次機(jī)場(chǎng)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(jī)廳短暫交流發(fā)現(xiàn)，AT1基因在李家洋團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位不斷擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)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(yàn)證。

　　越來(lái)越多的研究單位加入進(jìn)來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、寧夏大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國(guó)……越來(lái)越多的作物加入進(jìn)來(lái)，除了高粱，水稻、玉米、谷子、小麥也都成功了。大田試驗(yàn)證實(shí)，AT1/GS3基因的敲除，能提高鹽堿地里高粱、水稻、谷子的產(chǎn)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(cāng)，不再是一個(gè)夢(mèng)。

　　推進(jìn)綠色革命

　　耕地面積是保障糧食生產(chǎn)的首要因素。我國(guó)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(zhuǎn)變育種觀念，由治理鹽堿地適應(yīng)作物，向選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地轉(zhuǎn)變。

　　“今天發(fā)布的關(guān)于耐堿性改良關(guān)鍵基因AT1的研究成果，是面向我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求，從基礎(chǔ)研究著手解決實(shí)際問題的典型案例?！敝锌圃哼z傳發(fā)育所副所長(zhǎng)黃勛說。

　　2019年，針對(duì)我國(guó)糧食安全、生態(tài)安全及供給側(cè)改革的重大戰(zhàn)略需求，以有組織推進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)向的體系化基礎(chǔ)研究為特色，由中科院遺傳發(fā)育所李家洋院士擔(dān)任首席科學(xué)家的“種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造”前瞻戰(zhàn)略科技先導(dǎo)專項(xiàng)（A類）正式啟動(dòng)實(shí)施。其目標(biāo)是引領(lǐng)分子育種到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種技術(shù)的跨越，加速推進(jìn)新綠色革命。AT1基因的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用研究，被列入該先導(dǎo)專項(xiàng)中的“環(huán)境智能響應(yīng)性狀形成的分子基礎(chǔ)”課題，獲得了中科院先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。此外，AT1基因研究還得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東聯(lián)合重點(diǎn)基金的支持。

　　“AT1基因能在多種作物中起到廣譜作用，是先導(dǎo)專項(xiàng)很好的范例成果?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中科院植物研究所研究員種康表示，該遺傳學(xué)機(jī)制揭示了植物界基礎(chǔ)科學(xué)重大問題，是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)。AT1基因在提高作物耐鹽堿性方面的巨大應(yīng)用前景，有望為支撐我國(guó)國(guó)家糧食安全中鹽堿地綜合利用的國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)揮重要作用。而相關(guān)育種技術(shù)不引入任何外源基因，其原理是自然界已經(jīng)產(chǎn)生的基因變異，又為生物安全和未來(lái)推廣提供了多一重保障。 （記者 佘惠敏）

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