打開一個基因中的“藏糧密碼”

馮麗妃

主效耐堿基因可使谷物增產約20%

“把邊際土地，特別是鹽堿地的作用發揮出來，就能大幅緩解這個壓力。”近日，中國科學院院士李家洋在中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱遺傳發育所）舉辦的成果發布會上說。

通過7年聯合攻關，遺傳發育所謝旗團隊與中國農業大學于菲菲團隊、華中農業大學歐陽亦聃團隊聯合十家單位，以高粱為材料，打開主效耐堿基因AT1的“藏糧密碼”。他們的研究表明，該基因可在中重度鹽堿地顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物的產量。

“這項研究在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應用前景。”中國工程院院士、中國作物學會理事長萬建民評價。

“大家通常說的‘鹽堿地’其實可分為鹽化土壤、堿化土壤兩種主要類型。”論文通訊作者、遺傳發育所研究員謝旗對筆者說，其中前者約占全球鹽漬化土地的40%，后者則占60%左右。

“耐鹽”與“耐堿”的研究落差緣何如此之大？其中一個難題是實驗室模式植物，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。

什么才是關鍵的耐堿作物材料？謝旗把研究目標聚焦在高粱上。

這種谷物起源于非洲中部高鹽堿的薩赫勒地區，在長期進化中形成了豐富的耐堿性遺傳資源。過去20多年，謝旗和團隊已經培育出6個甜高粱國家登記品種，在我國鹽堿等貧瘠土地上推廣種植50余萬畝，為脫貧攻堅及鄉村振興提供了科技支撐。

據介紹，鹽堿化土壤主要由氧化鈉或氫氧化鈉導致。實驗室中通常用這兩種化合物調節系統的堿強度，這容易導致pH值變化大、不穩定，使實驗無法重復。為克服這一問題，謝旗團隊專門從寧夏挖了2噸鹽堿土運到北京做實驗，以保證研究結果的可靠性。

知其然，還要知其所以然。為了解該基因耐堿性的機制，謝旗與中國科學院生物物理研究所研究員陳暢合作，先后利用哺乳動物細胞和作物系統發現在高鹽堿脅迫中，AT1可通過調控水通道蛋白的磷酸化來調節其在逆境中的活性，并將逆境中產生的活性氧物質（ROS）泵到細胞外，降低過氧化應激。

“簡單來說，堿主要會引起細胞的氧化還原應激，讓細胞中的DNA和蛋白變性，比如ROS過多會導致細胞損傷或死亡。而敲除AT1后可以使細胞中的ROS降低。”陳暢解釋，這使研究團隊首次揭示了作物耐鹽堿的分子機制。

2019年，一次出差中謝旗與李家洋在機場巧遇。交談中，謝旗提到正在開展的耐鹽堿研究已經進入功能驗證階段，可能會是一個重要發現。他發現AT1是水稻粒形調控基因GS3的同源基因（一個共同祖先在不同物種中遺傳的基因）。

李家洋一直在通過水稻研究分子設計育種，他和團隊創制的“中科發”804等系列水稻中都含有GS3這一基因。兩人當即敲定合作。

研究團隊進一步與華中農業大學張啟發院士等合作，確認了AT1/GS3基因在水稻和玉米中也能調控對堿的耐受性，相關代謝途徑在不同作物中是保守的。他們把實驗室搬到了吉林大安，那里的鹽堿地pH值可以達到9.17。他們發現，水稻可實現年增產22.4%～27.8%，表現極其優異。

研究者還在寧夏平羅鹽堿地（pH9.10，鹽6‰）對高粱、谷子、玉米等作物進行了大田試驗。他們發現，用基因剪刀“剪掉”AT1基因能夠使高粱全株生物量（青貯飼料用）增加近30.5%、籽粒增產20.1%；可讓谷子增產19.5%；能顯著提高玉米、小麥在鹽堿地的存活率。

《科學》國際審稿人評價稱，這項工作揭示了禾本科作物的一個重要保守生物學機制，是一項重大發現。

“夯實糧食安全根基，要從源頭上加強種質資源的創新利用研究。這項研究是從基礎研究著手解決實際問題的一個典型案例。”中國科學院院士種康評價。

從挖掘分子機理到多個地點、多種作物聯合攻關，新研究證明了AT1基因的調控機制在主要糧食作物中的保守性，也說明了其對于相關作物增產的“普適性”。

多位出席發布會的專家表示，這項研究對我國乃至全球糧食安全意義重大。

據國家統計局數據，2021年我國人均糧食占有量已達到483公斤，高于國際公認的400公斤安全線。但同年，我國累計進口糧食創歷史新高，達到1.6億噸，占當年糧食產量的24%。

與會專家表示，我國有11.7億畝的邊際土地，其中包括5億畝左右的鹽堿地，這為我國糧食增產提供了空間。

在全球層面，謝旗也算了一筆賬：如果全球20%的鹽堿地利用該基因，每年可增產至少2.5億噸糧食。

目前研究團隊已與先正達集團合作，為該基因申請了國際專利。

當前，科技界對于基礎與應用研究孰重孰輕仍有許多爭論。在李家洋看來，基礎與應用研究是一個統一體的兩個基礎面。“基礎研究需要為應用提供源泉，應用研究要為基礎研究提供出口，兩者相輔相成。”他說，一項基礎研究從發現一個重要原理或機制到走向應用是一個創新鏈條，兩者相互結合才能持續推動解決相關社會問題，滿足國家重大需求。

據悉，這項研究是在中國科學院前瞻性布局科技先導專項（A類）“種子精準設計與創造”專項“環境智能響應性狀形成的分子基礎”課題支持下取得的重要突破。該專項旨在針對我國新時期糧食安全等重大戰略需求，引領分子精準設計育種技術，加速推進新綠色革命。

“這項研究涉及多種農作物，工作量巨大。研究團隊通力合作，花費了7年時間才找到這個重要的耐堿位點。這種面對困難持之以恒的研究實踐體現出的就是科學家精神。”遺傳發育所前所長、研究員陳受宜說。

“朋友碰到一塊兒會聊很多事，有時并不是科學上的事，但每次碰到謝旗，他總是嘮叨那些高粱的事，每次都很興奮。”南方科技大學教授朱健康說，“科學家有這種精神和對科學濃厚的興趣，才能堅持這么多年，做出這么好的成果。”

朱健康表示，這項研究已經在基礎理論上取得重要突破。他期待未來能夠看到“通過一個基因改變一個產業”，讓相關研究在百萬畝，甚至千萬畝鹽堿地上落地應用。