【中科院之聲】鹽堿地也能大豐收 新發(fā)現(xiàn)助力我國國家糧食安全
中國科學(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)歐陽亦聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院生物物理研究所、中國科學(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)中國十家單位合作，以耐鹽堿作物高粱為材料，首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制。大田實(shí)驗(yàn)證明，該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量，在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。相關(guān)研究于3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》雜志上。
聯(lián)合國糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球超過10億公頃鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用，其中鹽堿化土約占鹽漬化土壤的60%。研究者預(yù)測，如果全球20%鹽堿地利用該基因，可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食，從而提高鹽堿地產(chǎn)能。鹽堿地分為鹽化土壤和堿化土壤兩種主要類型，其中鹽化土壤主要含有NaCl、Na2SO4等中性鹽，pH值接近中性。目前全球在植物耐鹽研究方面方法較成熟且研究力量集中，已取得了很多成果，但對于植物(作物)耐堿機(jī)制仍了解較少。
鹽堿化土壤主要由Na2CO3或NaHCO3等引起，過去的研究方法主要利用Na2CO3或NaHCO3來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堿度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在處理過程中pH值變化大且不穩(wěn)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)難度高，因此研究團(tuán)隊(duì)此次采用了混合堿(Na2CO3:NaHCCO3=1:5)穩(wěn)定的pH體系。另外，由于常用的擬南芥等模式植物起源非堿地，適應(yīng)性進(jìn)化耐堿遺傳信息可能存在缺陷，導(dǎo)致相關(guān)研究未有突破。為解決耐堿研究的材料選擇瓶頸問題，本研究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。土壤鹽堿大跨度變化的環(huán)境促使高粱通過進(jìn)化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。
中科院遺傳發(fā)育所謝旗領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)與合作者獨(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)主效耐堿基因AT1，該基因與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。同時(shí)，利用植物熒光探針系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在高鹽堿脅迫中，AT1通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化來調(diào)節(jié)在逆境情況下水通道蛋白的活性，并將逆境導(dǎo)致產(chǎn)生的ROS(活性氧物質(zhì))泵到細(xì)胞外降低氧化應(yīng)激，首次揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)AT1的調(diào)控機(jī)制在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中也保守存在。
在重大理論突破基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)對高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良，在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)進(jìn)行的大田實(shí)驗(yàn)表明，AT1基因的改造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%。研究人員進(jìn)一步將AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物水稻、谷子和玉米等的耐鹽堿性，在吉林大安鹽堿地(pH 9.17)的實(shí)驗(yàn)表明水稻年增產(chǎn)22.4-27.8%，在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)的實(shí)驗(yàn)表明谷子增產(chǎn)19.5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該基因的修飾也能顯著增強(qiáng)玉米在鹽堿地的存活率。
AT1/GS3敲除和自然缺失增強(qiáng)高粱和水稻對鹽堿脅迫的抗性。2022年，寧夏省平羅縣鹽堿地中(鹽含量0.6%，pH 8.5)SbWT和SbAT1ko的生長表型。
該研究成果得到審稿人的高度評價(jià)，認(rèn)為：該工作綜合多種前沿的生物技術(shù)并在多種植物中揭示耐鹽堿的重大科學(xué)問題;發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的禾本科作物保守的生物學(xué)機(jī)制，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);該研究涉及多種農(nóng)作物且工作量巨大，目前關(guān)于重要耐堿的位點(diǎn)未被解析，這個(gè)工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破。
2022年，吉林省大安市鹽堿地中(鹽含量0.3%，pH 9.1)中水稻GS3 近等基因系的生長表型。
除科學(xué)機(jī)制研究的創(chuàng)新外，研究團(tuán)隊(duì)表示，AT1基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景，有望為支撐我國糧食安全中鹽堿地綜合利用國家戰(zhàn)略發(fā)揮重要作用。
該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委/山東聯(lián)合重點(diǎn)基金的支持。
AT1調(diào)控的鹽堿脅迫響應(yīng)機(jī)制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽堿地上的產(chǎn)量。
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