耐鹽堿基因：讓鹽堿地里“稻谷飄香”

于菲菲 沈正偉

近日，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了耐鹽堿基因，相關(guān)育種技術(shù)可以顯著提高高粱、水稻、小麥、玉米、谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量，讓鹽堿地里也能“稻谷飄香”！讓我們一起去探尋其中的奧秘吧！

看！這白花花的一片，有沒有“疑是經(jīng)冬雪未銷”的感覺？這可不是雪，而是鹽堿地里析出的鹽。農(nóng)民常說：“鹽堿地里種莊稼，十年九不收。”鹽堿地可謂作物殺手。

鹽堿地指的是土壤中含有較多的可溶性鹽分，不利于作物生長(zhǎng)的土地。具體來說，當(dāng)100克土壤的可溶性鹽分中蘇打鹽（碳酸鈉和碳酸氫鈉）含量在0.5毫克以上、酸堿度（pH值）大于9、含鹽量大于0.3％時(shí)，便屬于鹽堿地。

作物生長(zhǎng)需要相對(duì)穩(wěn)定和適宜的外界環(huán)境，鹽堿地高pH值和高滲透土壤環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至死亡。這是因?yàn)椋琾H值過高會(huì)抑制作物對(duì)鉀、磷、鐵等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，導(dǎo)致作物“營(yíng)養(yǎng)不良”；高滲透土壤會(huì)導(dǎo)致作物無法從土壤中吸收水分。

水分子會(huì)從溶質(zhì)濃度高的區(qū)域向溶質(zhì)濃度低的區(qū)域轉(zhuǎn)移

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃的鹽堿地，而且這個(gè)數(shù)字還會(huì)增長(zhǎng)。中國土地鹽堿化形勢(shì)同樣嚴(yán)峻，在過去的60多年里，中國的鹽堿地面積從約2.4萬平方千米增加到約4萬平方千米，且鹽堿化程度還在不斷加深。

土地鹽堿化問題已經(jīng)嚴(yán)重危及中國糧食安全，育成耐鹽堿作物、提高鹽堿化土地利用率、保護(hù)國家糧食安全迫在眉睫。

挖掘作物耐鹽堿基因是進(jìn)行耐鹽堿育種的關(guān)鍵。

我們知道，作物的性狀是由體內(nèi)基因控制的。在對(duì)環(huán)境的適應(yīng)過程中，作物的基因會(huì)產(chǎn)生差異，作物也會(huì)隨之進(jìn)化。

高粱起源于非洲，是人類最早栽培的禾本科作物之一，相比水稻、小麥，它具有更強(qiáng)的鹽堿耐受力。

我們收集了300多份不同地區(qū)的高粱原始材料，將它們種植在高鹽堿的土地里，根據(jù)生長(zhǎng)狀況分為耐鹽堿的品種和不耐鹽堿的品種。通過計(jì)算，可以將不同品種的基因差異與它們對(duì)鹽堿的耐受能力關(guān)聯(lián)起來。由此，我們可以確定不同性狀的高粱品種到底是哪些基因發(fā)生了改變，并最后“鎖定”AT1（Alkaline tolerance 1）基因。

生長(zhǎng)在鹽堿地里的高粱（供圖/ 于菲菲）

那么，AT1基因是如何發(fā)揮作用的呢？

原來，作物受到鹽堿傷害時(shí)，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（Reactive oxygen species， ROS）。活性氧物質(zhì)是機(jī)體內(nèi)或者自然環(huán)境中由氧組成、含氧并且性質(zhì)活潑的物質(zhì)的總稱，可作為信號(hào)分子調(diào)控植物氣孔關(guān)閉、病害防御等代謝反應(yīng)，對(duì)于作物生長(zhǎng)起積極作用。

但是，活性氧物質(zhì)的生物活性很強(qiáng)，積累過多反而會(huì)破壞作物細(xì)胞的活性氧平衡（正常條件下，植物體內(nèi)活性氧含量不多不少，處于一個(gè)平衡穩(wěn)定的狀態(tài)），影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，降低作物產(chǎn)量。如果想讓作物的耐鹽堿能力更強(qiáng)，就必須維持好作物細(xì)胞的活性氧平衡。

這里就需要水通道蛋白出場(chǎng)了。水通道蛋白是生物膜上的一類具有選擇性、高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分功能和特殊空間結(jié)構(gòu)的通道蛋白。它可以將細(xì)胞內(nèi)多余的活性氧物質(zhì)“泵”到細(xì)胞外。但是，并不是所有的水通道蛋白都有這個(gè)功能，只有被磷酸化（一種蛋白質(zhì)修飾）的水通道蛋白才有這個(gè)能力。

不同品種的高粱在鹽堿環(huán)境中的生長(zhǎng)情況（供圖/ 于菲菲）

我們發(fā)現(xiàn)，AT1基因會(huì)抑制水通道蛋白的磷酸化。也就是說，使用基因編輯手段敲除AT1基因，就能賦予作物“忍耐”鹽堿的“本領(lǐng)”。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，任何實(shí)驗(yàn)成果都必須在生產(chǎn)實(shí)踐中檢驗(yàn)。GS3是AT1在水稻里的同源基因，我們?cè)跂|北吉林大安鹽堿地進(jìn)行了為期兩年的GS3改良的水稻大田生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，年增產(chǎn)為24.1%～27.8%。同時(shí)，在高粱、谷子、玉米等作物的測(cè)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中，高粱、谷子的產(chǎn)量以及玉米的存活率都大幅提高。

如果全球20%的鹽堿地能使用這項(xiàng)技術(shù)，每年至少能增產(chǎn)約2.5億噸糧食，鹽堿地將變成作物高產(chǎn)田！

“強(qiáng)國必先強(qiáng)農(nóng)，農(nóng)強(qiáng)方能國強(qiáng)。”培育耐鹽堿的糧食作物是切實(shí)提高鹽堿化土地生產(chǎn)力、解決糧食安全問題的重中之重。在不遠(yuǎn)的將來，我們餐桌上的米飯、饅頭、玉米，可能就來自鹽堿地里的作物。

運(yùn)用化學(xué)、生物知識(shí)，你還能想到哪些改良鹽堿地的方法？

?敲除AT1基因后，作物鹽堿耐受力提高（制圖/周游）

離子和一些小分子有機(jī)物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地通過細(xì)胞膜。鑲嵌在細(xì)胞膜上的一些特殊的蛋白質(zhì)，能夠協(xié)助這些物質(zhì)順著濃度梯度跨膜運(yùn)輸，這些蛋白質(zhì)被稱為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為載體蛋白和通道蛋白兩種。通道蛋白包括水通道蛋白和離子通道蛋白等。

載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過，而且每次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)自身也會(huì)發(fā)生改變。

?右圖為敲除AT1基因的作物，它們?cè)邴}堿地中的種植表現(xiàn)和產(chǎn)量明顯優(yōu)于野生作物（供圖/于菲菲）

通道蛋白只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過。分子或離子通過通道蛋白時(shí)，不需要與通道蛋白相結(jié)合。

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白示意圖（繪圖/ 魏欣）