中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所科研團隊與中國科學院生物物理研究所、中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所、中國農業(yè)大學、華中農業(yè)大學、寧夏大學、揚州大學和先正達集團中國8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、谷子和玉米等耐鹽堿作物種質產(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》（Science）雜志。 

　　聯(lián)合國糧農組織調查數(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鹽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:NaHCO₃=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。  

　　中國科學院遺傳發(fā)育所謝旗、李家洋、汪迎春等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。同時，利用哺乳動物細胞和作物系統(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）泵到細胞外降低過氧化應激，首次揭示了高等生物高抗鹽堿的分子機制。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、玉米及小作物谷子中也保守存在。  

　　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基因的利用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基因用于改善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）的實驗表明不同作物年增產(chǎn)約24.1-27.8%，在寧夏平羅鹽堿地（pH 9.10）的實驗表明谷子增產(chǎn)近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。  

　　該研究成果得到審稿人的高度評價，幾位審稿人認為：該工作綜合多種優(yōu)化的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，這個工作是農業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破。  

　　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。  

　　該研究得到中國科學院戰(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。

　　論文鏈接

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

　　AT1/GS3敲除和自然缺失增強高粱和水稻對鹽堿脅迫的抗性。（A）2022年，寧夏平羅縣鹽堿地中（鹽含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1ko的生長表型。（B）2022年，吉林省大安市鹽堿地中（鹽含量0.26%，pH 9.1）中水稻GS3 NILs的生長表型。