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在白花花的鹽堿地上，高粱、水稻等作物也能取得大豐收。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員謝旗團隊與中國農業(yè)大學教授于菲菲團隊、華中農業(yè)大學教授歐陽亦聃團隊聯合十家科研單位合作，在高粱中發(fā)現了主效耐堿基因AT1，首次揭示了作物耐堿的分子機制，并將相關理論成果應用到水稻、小麥、玉米、谷子等作物上，顯著提升了這些作物在鹽堿地的產量。3月24日，相關研究成果在《科學》《國家科學評論》雜志發(fā)表。
鹽漬化土地分為酸堿度為中性、富含氯化鈉和硫酸鈉的鹽地，以及酸堿度呈堿性、富含碳酸鈉和碳酸氫鈉的蘇打鹽堿地。我國鹽堿地面積高達1億公頃，占世界鹽堿地總面積的近十分之一，全球氣候的變化、淡水的缺乏及化肥的大量使用，使得可耕土地鹽漬化速度加快。謝旗團隊常年從事植物的耐鹽堿研究。此前，全球關于植物耐鹽機制已有大量科研成果，但植物究竟如何耐堿，仍缺乏機制方面的解讀。
“堿性土壤會影響植物吸收各類營養(yǎng)元素，導致其生長受抑制，就像是人吃不飽飯一樣沒有精神，慢慢枯萎凋亡?！敝x旗將目光放在了起源于非洲鹽堿地的高粱上，他帶領團隊對來自世界各地的高粱資源開展研究，利用高粱全基因組關聯分析，經過數年的努力，終于鎖定了耐鹽堿調控的關鍵基因AT1。
什么樣的植物會更耐堿？謝旗團隊發(fā)現，在鹽堿環(huán)境下，植物細胞會發(fā)生氧化應激反應，產生有毒害作用的過氧化氫，最終導致植株死亡。當AT1基因被敲除后，細胞上水通道蛋白變得更“活潑”，將過氧化氫及時泵到細胞外，讓植株擁有更高的存活率和產量。這一結論，首次揭示了作物耐堿的分子機制。
而將這項研究從高粱推廣至其他作物的契機之一，來自一次機場的偶遇。2019年，謝旗和中科院院士、中科院遺傳發(fā)育所研究員李家洋在候機廳短暫交流時發(fā)現，AT1基因在李家洋團隊培育的水稻品種中也存在，它與水稻的粒形調控基因GS3同源。謝旗團隊聯合多家單位不斷擴大實驗范圍，在水稻、玉米、小麥、谷子等作物上廣泛開展了AT1基因的功能驗證。
在寧夏平羅的鹽堿地，白花花的地面仿佛剛剛下過一場雪。這里的土壤酸堿度達8.5，屬于堿性土壤，但改良了AT1/GS3基因的高粱、水稻、小麥、玉米、谷子，都能在這里茁壯成長，均實現了產量、生物量提升20%至30%。如果全球20%的鹽堿地能利用該基因資源，每年將增產糧食約2.5億噸。
多位植物、作物耐逆領域知名專家評價該成果稱，“該工作綜合多種前沿生物技術手段，在多種作物中揭示了耐鹽堿機理的重大科學問題”，“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”。
“這項研究成果，正是面向我國農業(yè)生產重大需求，從基礎研究著手，解決實際問題的典型案例?！敝锌圃哼z傳發(fā)育所副所長黃勛說。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，有望為我國糧食安全發(fā)揮重要支撐作用。
記者 劉蘇雅