出品：科普中國
作者：李雷（云南省人民政府中國科學院西南生物多樣性實驗室）
監(jiān)制：中國科普博覽
2023年3月24日凌晨，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所科研團隊，與中國科學院生物物理研究所、中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所、中國農業(yè)大學、華中農業(yè)大學、寧夏大學、揚州大學和先正達集團中國，八家單位合作在頂級科學雜志《Science》上刊發(fā)了一篇重大研究成果：發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機制，并在大田實驗驗證了該基因可以顯著提高高粱、水稻、小米和玉米等作物產(chǎn)量。
這篇文章到底具體講了什么內容呢？我們來為大家做一個解讀。
鹽堿地——我國農業(yè)發(fā)展的一大威脅
地大物博，相信這是很多人都熟悉的一個詞。擁有960萬平方公里面積的祖國，養(yǎng)育了數(shù)千年的華夏兒女，直到今天，這片土地依然是14億人賴以生存的根。
然而，你也一定聽到過另一句話：“中國用占世界7%的耕地，養(yǎng)活著世界22%的人口”，這是我國創(chuàng)造的另一個奇跡，也是一種無奈。因為我國的耕地面積實在是太少了，所以這些年，我國每年的一號文件都是農業(yè)領域的，民以食為天，農業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，是繁榮的基石。
但是，有一個問題，卻對我們的農業(yè)產(chǎn)生了嚴重的威脅，那就是耕地鹽堿化！
不知道你見沒見過鹽堿地，一片很好的土地，上面卻是白茫茫的一片，不是霜雪，而是鹽堿富集，這樣的鹽堿地，別說農作物，就是那些非常頑強的野草也難以生長，往往成為了不毛之地。
鹽堿地
（圖片來源：FAO）
鹽堿地是鹽地和堿地的合稱，受中性鈉鹽（比如氯化鈉和硫酸鈉）影響的土壤叫鹽地，而受堿解鈉鹽（如碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉）影響的土壤稱為堿地。
那么，鹽堿地是如何形成的呢？本質上在于土壤中的鹽離子不平衡。而這個不平衡，是多重因素造成的。土壤水分是鹽離子的重要來源，無論是河流湖泊，還是地下水灌溉，或者化肥的使用，都會帶來鹽離子。如果這些鹽離子的量超出了植物的吸收能力，且無法被其他因素清除掉，這些離子就會隨著水分的蒸發(fā)，在土壤中不斷聚集，最終就會導致土壤出現(xiàn)鹽堿化。
水和鹽堿地形成的關系
（圖片來源：FAO）
土地鹽堿化和農業(yè)息息相關，因此直接威脅著我國的農業(yè)生產(chǎn)，比如著名的黑土地，也是養(yǎng)育了無數(shù)中華兒女的北大倉，因為多年持續(xù)耕作，鹽堿地面積逐步擴大，從1950年的2.4萬平方公里擴張到2016年的3.9萬平方公里，不少土地也從輕度鹽堿化變成了中重度的鹽堿化。
事實上，不只是東北，從東海之濱到西北邊疆，從炎熱的海南到寒冷的松嫩平原，都有鹽堿地的分布，如果再加上土地酸化、黑土地退化，涉及的耕地已經(jīng)多達6.6億畝。這是什么樣的規(guī)模？按照2022年第三次全國國土調查，我國的耕地面積是19.18億畝，那么相當于三分之一的耕地面積面臨“三化”問題，這將極大地威脅到我國的糧食安全，威脅到國計民生。
鹽堿地
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
正因如此，繼2022年中央一號文件提出鹽堿地的綜合利用規(guī)劃和實施方案，2023年中央一號文件繼續(xù)關注鹽堿地問題，今年更是特別提出了“持續(xù)推動由主要治理鹽堿地適應作物向更多選育耐鹽堿植物適應鹽堿地轉變，做好鹽堿地等耕地后備資源綜合開發(fā)利用試點?！?/p>
而這，也和今天我們這篇文章息息相關，那就是：開發(fā)耐鹽堿的植物。
如何尋找植物耐鹽堿基因？
生命總是擁有最頑強的毅力，能夠在意想不到的地方生存。
盡管鹽堿地對于很多農作物來說可謂死地，但是，總有一些例外的存在，這就是植物強大的抗逆性，也就是植物抵抗某些不利環(huán)境的性狀，比如抗寒、抗旱、抗病蟲害，當然，也包括耐鹽堿。其背后，是植物基因在發(fā)揮作用。
那么，如何尋找耐鹽堿基因呢？
今天這篇Science給了我們一個經(jīng)典示范，讓我們來全面地了解一下。
第一步：選擇一種合適的植物
耐鹽堿植物倒是有不少，但是許多植物往往具有地理分布特異性，因此其耐鹽堿機制也就有了局限性，我國國土幅員遼闊，涵蓋了熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶各種氣候帶，因此要尋找一種能夠分布廣泛、跨度變化大的作物作為研究對象至關重要。
傳統(tǒng)研究喜歡用經(jīng)典的模式植物——擬南芥，但是這種植物并不是起源于鹽堿地，所以在研究耐鹽堿的時候有天然缺陷。
經(jīng)過廣泛的調研和實驗，科學家選擇了高粱這種耐鹽堿作物作為研究對象。高粱是一種起源于非洲中部貧瘠土地的作物，并擴散到了全世界。這種能夠跨多個區(qū)域、在不同鹽堿度土壤中生存的能力，足以證明其擁有較強的耐鹽堿能力。
高粱
（圖片來源：Wikipedia）
第二步：合適的研究體系
有了合適的耐鹽堿植物，接下來，就需要有合適的研究體系。
土壤鹽堿化主要是由碳酸鈉或碳酸氫鈉等引起。傳統(tǒng)研究為了模擬土壤鹽堿化，主要是用這兩種堿來調節(jié)實驗系統(tǒng)的堿度。但是這種調節(jié)過程卻容易出現(xiàn)pH值不穩(wěn)定的問題，結果就是，實驗體系不穩(wěn)定，重復難度提高了。
為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的鹽堿地實驗體系，研究團隊經(jīng)過多次嘗試，最后確定了混合堿（碳酸鈉:碳酸氫鈉=1:5）體系，這個體系能夠讓實驗穩(wěn)定地進行。
有了上述研究，接下來就是探究高粱的耐鹽堿基因了。
第三步：全基因組大數(shù)據(jù)關聯(lián)，分析尋找耐鹽堿基因
基因決定性狀，植物耐鹽堿背后的因素是基因，為了尋找高粱的耐鹽堿基因，研究人員首先收集了許多耐鹽堿高粱資源，這些高粱的耐鹽堿度存在較大的區(qū)別。
不同高粱在實驗室構建的穩(wěn)定鹽堿體系下的生長情況
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
接下來，采用全基因關聯(lián)分析的辦法，科學家獲取了各種高粱的基因資源，然后根據(jù)其耐鹽堿的性狀，對性狀和全基因組進行關聯(lián)分析，最終，研究人員成功地定位到了一個關鍵基因：AT1。
通過全基因組關聯(lián)分析找到的顯著信號基因AT1
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
而對AT1基因的驗證，也佐證了AT1對于植物耐鹽堿過程的重要作用，比如，在高粱里，AT1基因明顯和高粱對于鹽堿的耐受有關，在高鹽堿培養(yǎng)條件下（75mM Alkali），過表達AT1（SbAT1-OE）的生長效果明顯不如對照組（SbWT），更不如AT1敲除組（SbAT1-KO）。
AT1基因在高粱耐鹽堿中起重要作用
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
不僅如此，在多種禾本科植物中，AT1基因也是保守的，而且能夠發(fā)揮效果，這可意義匪淺，要知道，禾本科是我們的農作物大戶，玉米、水稻、谷子都是禾本科的。
AT1基因在多種農作物中均有效果
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
那么這個AT1基因到底是如何應對鹽堿威脅的呢？
研究人員分別在哺乳動物和作物系統(tǒng)模型中對這個基因進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)，AT1基因主要是通過調控水通道蛋白的磷酸化（plasma membrane intrinsic protein 2s (PIP2s)）來應對高鹽堿脅迫。
AT1基因通過PIP2s來響應鹽脅迫
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
此外，高鹽脅迫情況下，植物還會產(chǎn)生ROS（活性氧物質），這種物質本身對植物也是一種傷害，而AT1基因還能通過調節(jié)PIP2s來影響ROS外排，這是科學家首次揭示高等生物高抗鹽堿的分子機制。
AT1調控的鹽堿脅迫響應機制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽堿地上的產(chǎn)量
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
實踐是檢驗真理的唯一標準——大田實驗佐證AT1的效果
其實科學家對耐鹽堿的機制研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，也找到了不少耐鹽堿基因，但是不少研究當走到實踐中時卻遇到了諸多問題。那么，這次科學家發(fā)現(xiàn)的耐鹽堿基因AT1到底能不能在實踐應用中發(fā)揮作用呢？
研究人員決定在大田中對這個基因的效果進行檢驗。
首先是高粱，研究團隊對高粱進行了耐鹽堿育種改良，然后開展大田實驗。這次選擇的寧夏平羅鹽堿地，pH值高達8.5-9.1，屬于中度的鹽堿地。
結果非常喜人。
AT1基因的利用，能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%，全株生物量（青貯用）增加近30.5%。這一成果表明，AT1不僅機制可行，而且在實踐中效果顯著。
AT1基因敲除增加高粱在鹽堿地上的產(chǎn)量
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
當然，AT1基因的意義可不僅僅是調節(jié)高粱的耐鹽堿度，這是一個在多種作物中均保守存在的基因，包括我們的重要糧食作物——水稻、玉米和谷子。
于是研究人員進一步對這些作物進行了大田實驗。
結果發(fā)現(xiàn)，AT1基因改良的小米，能夠在寧夏平羅鹽堿地上增產(chǎn)近19.5%，相當于提高了五分之一的產(chǎn)量。AT1基因改良的玉米在鹽堿地中的存活率同樣顯著增強。
2022年，寧夏省平羅縣鹽堿地中（鹽含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1ko的生長表型
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
而且，這個基因也顯示出了很好的跨區(qū)域效果。
在距離寧夏平羅1600多公里遠的東北吉林大安鹽堿地，pH更是高達9.17。研究人員種植了AT1基因修飾改善的水稻、小米和玉米，結果，不同作物的年增產(chǎn)約為24.1%～27.8%，提高幅度達到了四分之一。
AT1/GS3敲除提高鹽堿地水稻的產(chǎn)量
（圖片來源：中國科學院中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所）
大田實驗研究充分證明了AT1基因的強大，它能夠直接讓植物在鹽堿地中存活得更好，產(chǎn)量增加。
功在當代，利在千秋
民以食為天，糧食問題事關全人類的根本利益。根據(jù)聯(lián)合國聯(lián)農組織報告，在當前，全球有45個國家需要糧食援助，其中有6個國家的部分民眾面臨最高程度的糧食匱乏，即將陷入災難性饑餓。此外，還有數(shù)百萬人面臨嚴重饑餓。
而鹽堿地往往發(fā)生在耕地中，嚴重威脅著糧食安全，根據(jù)聯(lián)合國聯(lián)農組織統(tǒng)計，截至2015年，全球有超過10億公頃土地存在鹽堿化問題，而全世界的耕地才15億公頃。如果我們能夠開發(fā)哪怕20%的鹽堿地，都將給全球至少貢獻2.5億噸的糧食增產(chǎn)。這將極大地緩解糧食危機，讓更多的人免于饑餓。
所以，開發(fā)出更多的耐鹽堿作物，對于緩解全球糧食危機、拯救更多的生命意義重大。
特別值得一提的是，這次研究團隊發(fā)現(xiàn)的AT1基因，對于重要禾本科作物水稻、玉米和谷子的效果非常顯著，要知道，玉米和水稻可是全球產(chǎn)量第一和第二的農作物，是全世界人民的主要糧食來源，因此這個基因改良的作物如果能廣泛推廣，將給全球帶來重大的變化。
可以說，功在當代，利在千秋！
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