“這是全球10億公頃鹽堿地的福音”“這項研究為未來培育耐鹽堿植物，打開了一扇大門”“鹽堿地有救了”……在中國科學院召開的新聞發布會上，專家們對3月24日發表于《科學》和《國家科學評論》上的作物耐堿研究成果贊不絕口。
以耐鹽堿作物高粱為材料，中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗研究員團隊與中國農業大學于菲菲教授團隊、華中農業大學歐陽亦聃教授團隊聯合10家科研單位，找到了作物耐鹽堿的“密碼”。他們發現了作物的主效控堿基因AT1及其作用機制。
更重要的是，鹽堿地實驗證明，敲除該基因可顯著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產量。
亟須探索作物耐堿機制
鹽堿地有兩種類型，分別是鹽化土壤和堿化土壤。由于土壤表層鹽類、堿類集積，很多重度鹽堿地幾乎寸草不生。
聯合國糧農組織調查數據顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃的鹽堿地不能被有效利用，其中堿化土壤面積約占鹽堿地的60%。
“目前全球在植物耐鹽方面研究力量集中，已取得了很多成果，發表的論文有2萬多篇;但對于植物耐堿機制，我們卻仍然了解甚少，發表的論文僅457篇。”謝旗坦言。
為何植物耐堿的研究如此欠缺呢?其中一個原因是實驗室模式植物如擬南芥，通常并非起源于鹽堿地，因此缺乏耐堿遺傳適應性。這讓科研人員無法深入探索作物的耐堿機制，更加難以將研究結果匹配到生產中。
揭開高粱耐堿奧秘
為了找到合適的實驗室模式植物，謝旗等研究人員瞄準高粱，希望能夠從高粱入手，揭開其耐堿的奧秘。
“高粱起源于高鹽堿的非洲薩赫勒地區，它能夠適應各種鹽堿地，具有高度豐富的耐堿性遺傳資源?！敝x旗說。
通過對高粱進行全基因組大數據關聯分析，科研人員很快就發現一個與作物產量呈負相關的主效調控耐堿的基因AT1，與水稻的粒形調控基因GS3同源。
同時，利用特異性熒光探針系統，他們首次揭示了作物高抗鹽堿的分子機制。在高堿的環境中，作物會產生有害的ROS(活性氧物質)，誘導更高的氧化應激損傷。他們發現，敲除基因AT1可以增強水通道蛋白的磷酸化水平，進而調節水通道蛋白的活性，并將多余的ROS排到細胞外，以降低作物的氧化應激損傷。這樣，作物就可以順利地在鹽堿地生存了。
另外，科研人員還發現AT1在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中的調控機制，也與高粱相似。
大田實驗增產效果顯著
在重大理論突破的基礎上，科研人員也進行了大田實驗。在寧夏平羅鹽堿地的實驗結果表明，敲除AT1能夠使高粱籽粒增產20.1%，全株生物量增加近30.5%。
同時，科研人員進一步將AT1用于改善水稻、玉米和谷子等作物的耐鹽堿性，在吉林大安鹽堿地，水稻不同年份每畝增產22.4%—27.8%，在寧夏平羅鹽堿地谷子每畝增產近19.5%。此外，他們發現，敲除該基因也能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。
科研人員預測，如果全球20%的鹽堿地種植AT1基因改良的作物，可每年為全球增產至少2.5億噸糧食。該基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應用前景，有望為支撐國家糧食安全及鹽堿地綜合利用發揮重要作用。
責任編輯：陸迪
