吃鹽的小麥

今年3月，澳大利亞的植物學(xué)家馬修·格里漢姆和他的同事們宣布培育出一種可以在鹽地上正常生長的雜交小麥。土地鹽化一直是糧食危機的原因之一，這種小麥也給糧食種植業(yè)帶了新曙光。

對于一個生活在大城市里，并且從不擔(dān)心晚上吃不到飯的人來說，糧食危機可能是一個遙遠(yuǎn)的詞匯。但事實上，這顆星球的糧食危機已經(jīng)近在眼前。按照世界人口的增長速度，預(yù)計到2050年，人類需要的糧食會是目前糧食需求量的兩倍左右。而另一方面，隨著城市化的進程，耕地的面積卻很難增加那么多，耕地質(zhì)量反而很可能還會有所下降。所以，改良糧食作物的生物性質(zhì)，提高作物的產(chǎn)量成為戰(zhàn)勝糧食危機最有效的方法之一。

土地質(zhì)量下降的原因有多種多樣，其中，土地的鹽化成為了威脅糧食產(chǎn)量的重要原因之一。海水的入侵和雨水的淋溶作用都會鹽化土地。全球有20%左右的農(nóng)耕土地鹽度過高，造成了嚴(yán)重的減產(chǎn)。

如同我們吃鹽太多會覺得口渴一樣，植物攝入過多的鹽分也會“感覺”不適。以小麥為例，當(dāng)土壤中的氯化鈉達(dá)到一定的濃度以后，小麥的產(chǎn)量就會下降；如果氯化鈉的濃度進一步上升，小麥植株甚至?xí)谑斋@季節(jié)到來之前死亡。

古老的抗鹽基因小麥的根系從土壤中吸收水分，同時讓水分從葉片表面蒸發(fā)。這樣，水就在植物中形成一股下進上出的連續(xù)流。不過，隨著水分進入小麥植株的鹽分卻不能蒸發(fā)，只能留在葉片里，并開始慢慢積累起來。這些多余的鹽會讓細(xì)胞中一些必要的酶逐漸失去活性，甚至還會讓細(xì)胞脫水。因為老葉片比嫩葉片中積累的鹽要多一些，所以老葉片更易受鹽分所累，很容易死亡脫落。當(dāng)過多的葉片失去光合作用的能力，作物的減產(chǎn)也就不難理解了。

不過，也不是所有的植物都像農(nóng)田中的小麥那么脆弱，甚至連這些小麥的祖先對鹽的忍耐能力也要強悍得多。1萬年前，當(dāng)人類剛剛在中東的兩河流域定居下來，并開始發(fā)展農(nóng)業(yè)的時候，種植的小麥品種叫做一粒小麥。1991年出土的著名木乃伊冰人奧茨的腸道中就發(fā)現(xiàn)了加工過的一粒小麥。格里漢姆和他的同事們發(fā)現(xiàn)，在一粒小麥體內(nèi)，存在一個叫TmHKT1;5-A的基因。這個基因也許是讓一粒小麥可以忍耐高鹽土壤的關(guān)鍵。遺憾的是，隨著人類育種的過程，這個可以賦予小麥抗鹽天分的基因也逐漸消失在歷史長河中了。

格里漢姆教授的計劃是，首先弄清楚這個抗鹽基因的工作原理，然后再想辦法讓現(xiàn)代小麥也擁有這個基因，提高鹽度較高的耕地上的產(chǎn)量。為什么擁有了這個基因的小麥就有了抗鹽的能力了呢？科學(xué)家用了一種很聰明的辦法。他們把編碼這個基因的核酸注射到非洲爪蟾的卵子里。選擇非洲爪蟾的卵子的原因是它的體積很大，肉眼也可以看見，所以很方便進行實驗操作。結(jié)果顯示，這個抗鹽基因可以編碼一個鈉離子的通道，把卵細(xì)胞外的鈉離子運輸?shù)郊?xì)胞里面。

這樣的結(jié)果看起來十分奇怪，因為按照直覺來說，幫助植物抵抗過多鹽分的基因應(yīng)該讓細(xì)胞排出鈉離子才對，為什么反而會讓細(xì)胞“吃”進更多的鹽呢？原來，在可以抗鹽的一粒小麥體內(nèi)，并不是所有的細(xì)胞都表達(dá)這個抗鹽基因。相反的是，只有在運輸水分的導(dǎo)管周圍，抗鹽基因才發(fā)揮作用。當(dāng)小麥的根部吸收水分以后，要通過導(dǎo)管才能到達(dá)葉片，如果導(dǎo)管周圍的細(xì)胞都具有“吸鹽”的能力，就相當(dāng)于給導(dǎo)管安裝上了一圈“排鹽器”。就這樣，從根部吸收的水分就會在運輸?shù)耐局袚p失相當(dāng)多的鹽分。而一粒小麥就是通過這種方法，讓到達(dá)葉片的水分中的鹽濃度降到了一個安全的程度。這就是這種遠(yuǎn)古小麥可以在鹽地上生長的秘訣。

既然鑒定出了可以抗鹽的基因，并且弄清楚了這個基因工作的原理，剩下來的就是一些技術(shù)性的工作了。格里漢姆和他的研究團隊利用雜交育種的方法，把一粒小麥中的抗鹽基因TmHKT1;5-A引入到了歐洲農(nóng)田里常見的硬粒小麥當(dāng)中。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬粒小麥獲得了這個抗鹽基因以后，葉片中的鹽含量只有普通硬粒小麥的四分之一到十二分之一。

雜交小麥的未來在過去幾年，很多植物育種學(xué)家也在嘗試改良小麥品種，增加耐鹽的能力。不過，相關(guān)的研究還沒有走出實驗室。然而，僅僅在實驗室取得成功是不夠的，新培育出的小麥品種還必須經(jīng)過實際耕地種植的考驗才行。這也是格里漢姆這次研究重要的地方。因為他的研究團隊培育出的新品種雜交抗鹽小麥在實際的耕地中也取得了良好的結(jié)果。在澳大利亞各地進行的田間試驗表明，這種新品種的抗鹽小麥確實可能提高產(chǎn)量。在鹽地上，新品種雜交小麥的產(chǎn)量比一般小麥提高了最多25%，而且，在普通耕地上，這種雜交小麥也不會降低產(chǎn)量，換句話說，引入抗鹽基因并沒有給小麥帶來額外的負(fù)擔(dān)。

在這項研究中，格里漢姆和他的同事們用的是四倍體硬粒小麥作為材料，培育出的新品種雜交小麥也是硬粒小麥。硬粒小麥在歐洲和美洲很常見。這種小麥顆粒的蛋白質(zhì)含量很高，比較“硬”，是意大利面和通心粉的主要材料。而包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家種植的小麥以六倍體的普通小麥為主，這種小麥磨出來的面粉可以用來制作饅頭和餃子等面食。因此，如果在六倍體普通小麥上也能引入抗鹽基因，將會更好地幫助發(fā)展中國家提升糧食產(chǎn)量，也就能更有效地緩解全球饑餓問題。

這項研究不僅培育出了新的作物品種，還再一次說明那些人類作物的野生近親很可能是一座基因的寶庫。在漫長的育種過程中，人類的作物丟失了很多基因，對環(huán)境壓力的抗性也越來越差。而試著從這些作物的野生對應(yīng)種里找回那些失去的優(yōu)秀基因，不失為一種可行的育種辦法。