中国科学家揭示作物在盐碱地增产的“基因密码”

中国网/中国发展门户网讯 联合国粮农组织调查数据显示，截止到2015年，全球超过10亿公顷盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用，其中盐碱化土约占盐渍化土壤的60%。据资料显示，我国盐碱地面积达近一亿公顷。如何让适合的作物在盐碱地上增产，成为保障粮食安全的重要研究方向之一。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十家科研单位合作,以耐盐碱作物高粱为材料，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。大田实验证明该基因可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物在盐碱的地产量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。相关研究于北京时间2023年3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》。

据介绍，盐碱地分为盐化土壤和碱化土壤两种主要类型，盐化土壤主要是含有NaCl、Na2SO4等中性盐，pH值接近中性。目前全球在植物耐盐研究方面方法较成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，但对于植物（作物）耐碱机制仍了解较少。

中科院遗传发育所谢旗研究员领衔的科研团队与合作者独辟蹊径，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，发现一个主效耐碱基因AT1，该基因与水稻的粒形调控基因GS3同源。同时利用荧光探针特异性系统发现在高盐碱胁迫中，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，并将逆境导致产生的ROS（活性氧物质）泵到细胞外降低氧化应激，首次揭示了作物耐盐碱的分子机制。另外还发现AT1的调控机制在主要粮食作物水稻、小麦、玉米及谷子中也保守。

AT1调控的盐碱胁迫响应机制及AT1的利用可以提高多种作物在盐碱地上的产量。

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，在宁夏平罗盐碱地（pH 9.10）进行的大田实验表明，AT1基因敲除能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%。进一步将AT1/GS3用于改良主要禾本科作物水稻、谷子和玉米等的耐盐碱性，在吉林大安盐碱地（pH 9.17）不同年份水稻增产22.4-27.8%，在宁夏平罗盐碱地（pH 9.10）谷子增产19.5%，同时发现对该基因的敲除也能显著增强玉米和小麦在盐碱地的存活率。

AT1/GS3敲除和自然缺失增强高粱和水稻对盐碱胁迫的抗性

（A）2022年，宁夏省平罗县盐碱地中（盐含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1^ko的生长表型。

（B）2022年，吉林省大安市盐碱地中（盐含量0.26%，pH 9.1）中水稻GS3近等基因系的生长表型。

该研究成果在审稿过程中得到审稿人的高度评价。审稿人表示，“该工作综合多种优化的技术及在多种植物中揭示耐盐碱的重大科学问题。”“揭示一个重要的禾本科作物保守的生物学机制，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。”“该研究涉及了多种农作物，而且工作量巨大；目前关于重要耐碱的位点未被解析，这个工作是农业生产方面的重大突破。”

研究团队表示，AT1基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，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。研究者预测，如果全球20%盐碱地利用该基因，可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食，从而提高盐碱地产能。