中国科学家实现育种技术重大突破——盐碱地里多打粮

北京时间2023年3月24日凌晨3点，国际顶尖学术期刊《科学》和《国家科学评论》发表了一项中国科学家带来的重大突破。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10家科研单位，以耐盐碱作物高粱为材料，在国际上首次发现主效控碱基因AT1及其作用机制。大田实验证明，相关育种技术可显著提升高粱、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。

全球盐碱地约有10亿公顷。“我们的相关研究成果全部申请了专利，拥有自主知识产权。如果全球10亿公顷盐碱地里有20%采用该技术，每年就可为全球增产至少2.5亿吨粮食。”论文通讯作者、中科院遗传发育所谢旗研究员说。

甜高粱有密码

甜！是谢旗对高粱的初印象。他在江苏南通的农村长大，儿时物资匮乏，盐碱地里的甜高粱秆儿成了他解馋的糖果。成年后走上科研道路，他跟盐碱地里的高粱结下了不解之缘。

有一次，一批高粱试验种子播到田里后，几乎全部萌发失败。团队成员看着荒芜的田地颇为沮丧，谢旗却为田地中央一排细细的小苗而激动——当时田间气温只有12摄氏度，如此低温还能萌发的高粱品种，可否开发到更靠北的土地上？深入研究下去，他们果然发现了耐寒的高粱新品种，让甜高粱的种植范围拓展到了齐齐哈尔、赤峰等地。

截至目前，谢旗团队共培育了6个甜高粱国家登记品种，另外还有甜高粱及粒用高粱品系正在审定之中。团队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。

在盐碱地上，甜高粱再立大功。

高粱是优秀的抗逆先锋作物，能在各种不利环境中成长，抗旱、抗涝、耐盐碱、耐瘠薄。2015年，谢旗开始了对高粱耐碱机理的基因层面研究。

全球10亿公顷盐碱地中，约四成为中性的盐地，约六成为碱性的碱地。碱地中，除了含盐还含碱性的碳酸钠和碳酸氢钠，条件比中性盐地更为恶劣。研究植物如何耐盐的论文多，已发布超过2万篇；研究植物如何耐碱的论文则很少，才400多篇。

谢旗选择的研究方向，既是开拓空白，符合基础研究的原创需要，又是迎难而上，符合应用研究的市场需要。完成这个开创性的研究，也需要开创性的巧思。

植物选取有巧思:常用的拟南芥等模式植物起源于非碱地，属于甜土植物，用它们做耐碱研究，可能存在耐碱基因的先天不足。谢旗团队采用了起源于非洲中部贫瘠土地的高粱作为实验材料，突破了耐碱研究的材料选择瓶颈。

土壤调制有巧思: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二者之一来调节实验系统碱度进行实验，处理过程中酸碱度变化大且不稳定，导致实验重复难度高。谢旗团队采用特定比例的混合碱，获得了稳定的土壤酸碱度，实验更容易重复验证。

扩种更多作物

高粱拥有的基因数量超过3.7万个，从中选取耐碱基因，堪称“大海捞针”。科研团队独辟蹊径，首先通过全基因组大数据关联分析耐盐碱差异大的高粱资源，发现一个主效控碱基因AT1。研究者发现，缺失AT1基因的高粱材料更耐碱。

中科院遗传发育所汪迎春团队和中科院生物物理所陈畅团队加入了进来，相关分子机制研究取得突破。原来，AT1通过调控水通道蛋白的磷酸化来调节在逆境情况下水通道蛋白的活性。简单地说，高盐碱环境下，逆境导致活性氧物质ROS的产生。ROS浓度低时，细胞启动防御机制；ROS浓度高时，细胞启动自毁机制。敲除AT1基因，可以将逆境导致产生的过多ROS泵到细胞外，降低过氧化应激，阻止细胞自毁，植物的耐盐碱能力就提高了。

作物高抗盐碱的分子机制，就这样首次被揭示出来。在重大理论突破基础上，合作团队对高粱进行耐盐碱育种改良，敲除AT1，增加高粱在盐碱地上的产量。

“科学家碰到一起闲聊不一定聊科学，但我每次碰到谢旗，他都要谈自己的最新研究。”南方科技大学前沿生物技术研究院院长朱健康说。

而将这项研究从高粱推广至其他作物的契机之一，来自一次机场的偶遇。2019年，谢旗和中科院院士、中科院遗传发育所李家洋研究员在候机厅短暂交流发现，AT1基因在李家洋团队培育的水稻品种中存在，在水稻中之前被命名为GS3基因。谢旗团队联合多家单位不断扩大实验范围，在水稻、玉米、小麦、谷子等多种作物上广泛开展了AT1基因的功能验证。

越来越多的研究单位加入进来，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……越来越多的作物加入进来，除了高粱，水稻、玉米、谷子、小麦也都成功了。大田试验证实，AT1/GS3基因的敲除，能提高盐碱地里高粱、水稻、谷子的产量和生物量，也能提高盐碱土壤玉米的存活率。盐碱地里粮满仓，不再是一个梦。

推进绿色革命

耕地面积是保障粮食生产的首要因素。我国盐碱地面积约15亿亩，居世界第三，其中可利用的盐碱地约5亿亩。18亿亩耕地红线要守住，5亿亩盐碱地也要充分开发利用。充分开发利用盐碱地，意味着要转变育种观念，由治理盐碱地适应作物，向选育耐盐碱植物适应盐碱地转变。

“今天发布的关于耐碱性改良关键基因AT1的研究成果，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。”中科院遗传发育所副所长黄勋说。

2019年，针对我国粮食安全、生态安全及供给侧改革的重大战略需求，以有组织推进战略导向的体系化基础研究为特色，由中科院遗传发育所李家洋院士担任首席科学家的“种子精准设计与创造”前瞻战略科技先导专项正式启动实施。其目标是引领分子育种到精准设计育种技术的跨越，加速推进新绿色革命。AT1基因的发现及应用研究，被列入该先导专项中的“环境智能响应性状形成的分子基础”课题，获得了中科院先导专项的支持。此外，AT1基因研究还得到了国家自然科学基金委、山东联合重点基金的支持。

“AT1基因能在多种作物中起到广谱作用，是先导专项很好的范例成果。”中国科学院院士、中科院植物研究所研究员种康表示，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。AT1基因在提高作物耐盐碱性方面的巨大应用前景，有望为支撑我国国家粮食安全中盐碱地综合利用的国家战略发挥重要作用。而相关育种技术不引入任何外源基因，其原理是自然界已经产生的基因变异，又为生物安全和未来推广提供了多一重保障。

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