【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
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗團隊與中國農(nóng)業(yè)大學于菲菲團隊、華中農(nóng)業(yè)大學歐陽亦聃團隊聯(lián)合中國科學院生物物理研究所、中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、寧夏大學、揚州大學、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學和先正達集團中國十家單位合作，以耐鹽堿作物高粱為材料，首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機制。大田實驗證明，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用前景。相關研究于3月24日發(fā)表于《科學》和《國家科學評論》雜志上。
聯(lián)合國糧農(nóng)組織調查數(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來調節(jié)實驗系統(tǒng)堿度進行實驗，在處理過程中pH值變化大且不穩(wěn)定導致實驗重復難度高，因此研究團隊此次采用了混合堿(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，適應性進化耐堿遺傳信息可能存在缺陷，導致相關研究未有突破。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驗材料。土壤鹽堿大跨度變化的環(huán)境促使高粱通過進化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。
中科院遺傳發(fā)育所謝旗領銜的科研團隊與合作者獨辟蹊徑，首先通過全基因組大數(shù)據(jù)關聯(lián)分析耐鹽堿差異大的高粱資源，發(fā)現(xiàn)一個主效耐堿基因AT1，該基因與水稻的粒形調控基因GS3同源。同時，利用植物熒光探針系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在高鹽堿脅迫中，AT1通過調控水通道蛋白的磷酸化來調節(jié)在逆境情況下水通道蛋白的活性，并將逆境導致產(chǎn)生的ROS(活性氧物質)泵到細胞外降低氧化應激，首次揭示了作物耐鹽堿的分子機制。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)AT1的調控機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上，合作團隊對高粱進行耐鹽堿育種改良，在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)進行的大田實驗表明，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)的實驗表明水稻年增產(chǎn)22.4-27.8%，在寧夏平羅鹽堿地(pH 9.10)的實驗表明谷子增產(chǎn)19.5%，同時發(fā)現(xiàn)該基因的修飾也能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。
AT1/GS3敲除和自然缺失增強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，認為：該工作綜合多種前沿的生物技術并在多種植物中揭示耐鹽堿的重大科學問題;發(fā)現(xiàn)了一個重要的禾本科作物保守的生物學機制，該遺傳學機制揭示了植物界基礎科學重大問題，是科學界的重大發(fā)現(xiàn);該研究涉及多種農(nóng)作物且工作量巨大，目前關于重要耐堿的位點未被解析，這個工作是農(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。
除科學機制研究的創(chuàng)新外，研究團隊表示，AT1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)略性先導科技專項和國家自然科學基金委/山東聯(lián)合重點基金的支持。
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。
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