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(chǎn)約20%

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

通過7年聯(lián)合攻關(guān)，遺傳發(fā)育所謝旗團(tuán)隊(duì)與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲團(tuán)隊(duì)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)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(chǎn)量。

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

“大家通常說的‘鹽堿地’其實(shí)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(fā)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(shí)驗(yàn)室模式植物，這讓科研人員無法深入探索作物的耐堿機(jī)制，更加難以將研究結(jié)果匹配到生產(chǎn)中。

什么才是關(guān)鍵的耐堿作物材料？謝旗把研究目標(biāo)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(qū)，在長期進(jìn)化中形成了豐富的耐堿性遺傳資源。過去20多年，謝旗和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)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(jiān)及鄉(xiāng)村振興提供了科技支撐。

據(jù)介紹，鹽堿化土壤主要由氧化鈉或氫氧化鈉導(dǎo)致。實(shí)驗(yàn)室中通常用這兩種化合物調(diào)節(jié)系統(tǒng)的堿強(qiáng)度，這容易導(dǎo)致pH值變化大、不穩(wěn)定，使實(shí)驗(yàn)無法重復(fù)。為克服這一問題，謝旗團(tuán)隊(duì)專門從寧夏挖了2噸鹽堿土運(yùn)到北京做實(shí)驗(yàn)，以保證研究結(jié)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(jī)制，謝旗與中國科學(xué)院生物物理研究所研究員陳暢合作，先后利用哺乳動物細(xì)胞和作物系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)在高鹽堿脅迫中，AT1可通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化來調(diào)節(jié)其在逆境中的活性，并將逆境中產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)（ROS）泵到細(xì)胞外，降低過氧化應(yīng)激。

“簡單來說，堿主要會引起細(xì)胞的氧化還原應(yīng)激，讓細(xì)胞中的DNA和蛋白變性，比如ROS過多會導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。而敲除AT1后可以使細(xì)胞中的ROS降低。”陳暢解釋，這使研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制。

2019年，一次出差中謝旗與李家洋在機(jī)場巧遇。交談中，謝旗提到正在開展的耐鹽堿研究已經(jīng)進(jìn)入功能驗(yàn)證階段，可能會是一個重要發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)AT1是水稻粒形調(diào)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(shè)計育種，他和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的“中科發(fā)”804等系列水稻中都含有GS3這一基因。兩人當(dāng)即敲定合作。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張啟發(fā)院士等合作，確認(rèn)了AT1/GS3基因在水稻和玉米中也能調(diào)控對堿的耐受性，相關(guān)代謝途徑在不同作物中是保守的。他們把實(shí)驗(yàn)室搬到了吉林大安，那里的鹽堿地pH值可以達(dá)到9.17。他們發(fā)現(xiàn)，水稻可實(shí)現(xiàn)年增產(chǎn)22.4%～27.8%，表現(xiàn)極其優(yōu)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(jìn)行了大田試驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)20.1%；可讓谷子增產(chǎn)19.5%；能顯著提高玉米、小麥在鹽堿地的存活率。

《科學(xué)》國際審稿人評價稱，這項(xiàng)工作揭示了禾本科作物的一個重要保守生物學(xué)機(jī)制，是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。

“夯實(shí)糧食安全根基，要從源頭上加強(qiáng)種質(zhì)資源的創(chuàng)新利用研究。這項(xiàng)研究是從基礎(chǔ)研究著手解決實(shí)際問題的一個典型案例。”中國科學(xué)院院士種康評價。

從挖掘分子機(jī)理到多個地點(diǎn)、多種作物聯(lián)合攻關(guān)，新研究證明了AT1基因的調(diào)控機(jī)制在主要糧食作物中的保守性，也說明了其對于相關(guān)作物增產(chǎn)的“普適性”。

多位出席發(fā)布會的專家表示，這項(xiàng)研究對我國乃至全球糧食安全意義重大。

據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年我國人均糧食占有量已達(dá)到483公斤，高于國際公認(rèn)的400公斤安全線。但同年，我國累計進(jìn)口糧食創(chuàng)歷史新高，達(dá)到1.6億噸，占當(dāng)年糧食產(chǎn)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(chǎn)提供了空間。

在全球?qū)用妫x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(chǎn)至少2.5億噸糧食。

目前研究團(tuán)隊(duì)已與先正達(dá)集團(tuán)合作，為該基因申請了國際專利。

當(dāng)前，科技界對于基礎(chǔ)與應(yīng)用研究孰重孰輕仍有許多爭論。在李家洋看來，基礎(chǔ)與應(yīng)用研究是一個統(tǒng)一體的兩個基礎(chǔ)面。“基礎(chǔ)研究需要為應(yīng)用提供源泉，應(yīng)用研究要為基礎(chǔ)研究提供出口，兩者相輔相成。”他說，一項(xiàng)基礎(chǔ)研究從發(fā)現(xiàn)一個重要原理或機(jī)制到走向應(yīng)用是一個創(chuàng)新鏈條，兩者相互結(jié)合才能持續(xù)推動解決相關(guān)社會問題，滿足國家重大需求。

據(jù)悉，這項(xiàng)研究是在中國科學(xué)院前瞻性布局科技先導(dǎo)專項(xiàng)（A類）“種子精準(zhǔn)設(shè)計與創(chuàng)造”專項(xiàng)“環(huán)境智能響應(yīng)性狀形成的分子基礎(chǔ)”課題支持下取得的重要突破。該專項(xiàng)旨在針對我國新時期糧食安全等重大戰(zhàn)略需求，引領(lǐng)分子精準(zhǔn)設(shè)計育種技術(shù)，加速推進(jìn)新綠色革命。

“這項(xiàng)研究涉及多種農(nóng)作物，工作量巨大。研究團(tuán)隊(duì)通力合作，花費(fèi)了7年時間才找到這個重要的耐堿位點(diǎn)。這種面對困難持之以恒的研究實(shí)踐體現(xiàn)出的就是科學(xué)家精神。”遺傳發(fā)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(xué)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(xué)教授朱健康說，“科學(xué)家有這種精神和對科學(xué)濃厚的興趣，才能堅(jiān)持這么多年，做出這么好的成果。”

朱健康表示，這項(xiàng)研究已經(jīng)在基礎(chǔ)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(chǎn)業(yè)”，讓相關(guān)研究在百萬畝，甚至千萬畝鹽堿地上落地應(yīng)用。