专访耐盐碱基因发现者谢旗:若在全球应用可增产粮食2.5亿吨

gecccn · 发表于 2024-3-1 11:25:03

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2月29日，科学技术部高技术研究发展中心（国家自然科学基金委员会基础研究管理中心）发布2023年度中国科学十大进展，其中包括中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员团队与国内多家科研机构和院校合作，发现可显著提升高粱、水稻等作物在盐碱地产量的主效耐碱基因AT1。
主效耐碱基因AT1是什么？其发现背后有何故事？该项研究将在农业生产领域产生什么影响？封面新闻记者专访中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗。

谢旗研究团队在宁夏盐碱地上种植的甜高粱。受访者供图
突破传统
让不毛之地再现生机
高粱曾是我国的主要粮食作物，但因口感粗糙、营养成分存在缺陷等原因退出了百姓餐桌。如今，含糖量高的新型甜高粱又逐渐在各地推广种植，不光能生长在耕地上，还能在不毛之地的盐碱地里成长。
二十多年来，谢旗带领团队培育出“中科甜438”“中科甜968”“中科甜060”等6个国家登记甜高粱品种。它们具备高耐盐性、高生物量、高蛋白含量等不同特征，能将闲置的盐碱地变为农田，还可整株粉碎加工后替代优质牧草，成为牛羊等牲畜饲料。
谢旗告诉封面新闻记者，我们国家有15亿亩盐碱地，分布在西北、东北、华北等17个省区，总面积为世界第三。比起人们耳熟能详的18亿亩耕地，盐碱地面积并不算少。土地盐碱化是长期困扰我国农业生产的大问题。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗。受访者供图
联合国粮农组织调查数据显示，截至2015年，全球超过10亿公顷盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用。科研人员预测，如果全球20%盐碱地利用该基因，可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食，从而提高盐碱地的作物产能。
在谢旗看来，如果将盐碱地利用起来，就能极大保障我国的粮食安全。于是，他带领团队开始高耐盐甜高粱品种的筛选，“我们不和主粮争地，我们要找的就是能在普通作物难以生存的贫瘠土地上生长的品种。”
揭示机理
给未来选育种指明方向
3.7万余个，这是高粱拥有的全部基因数量。要想从中找到决定某种性状的基因，无异于大海捞针。长时间扑在田间地头，让谢旗对很多不起眼的细节格外敏感。他对封面新闻记者举例称，在农业育种研究中，要时常运用逆向思考。就是通过抗性强、弱两种植株的对比，发现基因层面的差异，从而“锁定目标”。
谢旗领衔的科研团队采用混合碱研究方法调节碱度进行实验，通过全基因组大数据关联分析，从中发现主效耐碱基因AT1，该基因与水稻的粒形调控基因GS3同源，首次揭示了作物耐碱的分子机制。国际学术期刊《科学》审稿专家将这一发现称为“农业生产领域的重大突破”。
“我们发现有的高粱个体格外耐盐碱，这很可能是某种基因突变导致的。于是我们把这种高粱的基因与耐碱性较差的高粱的基因进行比对，最终找到与耐盐碱相关的基因AT1。”谢旗说，在后续田间试验中，通过基因编辑技术改良AT1的个体耐盐碱水平大幅提升，这就证实了AT1和高粱耐盐碱之间的对应关系。

图示为在盐碱胁迫环境下，水通道蛋白PIP2；1促进过氧化氢（H2O2）外排以减轻碱胁迫对细胞带来的损伤，右图庄稼获得比左图更高的存活率和更好的长势。受访者供图
谢旗向封面新闻记者揭示了主效耐碱基因AT1的调控机理——它通过下游的水通道蛋白把对细胞有害的过氧化氢类的分子排出细胞，从而保护细胞。“水通道蛋白磷酸化以后，就可以把有害的过氧化氢类的分子泵到体外。AT1主要是抑制水通道蛋白的磷酸化，其实是将AT1敲除后植物更耐盐碱。”
“未来选育高粱新品种时，我们直接在自然界寻找天生缺失AT1的突变体，就能在子代中稳定精确地继承耐盐高产性状”。谢旗向封面新闻记者透露，“通过我们的研究，已经在五大作物中证实了AT1/GS3能提高作物的耐盐碱性。”
谢旗表示，在高盐碱地区，改造基因以后，作物就能“起死回生”。更为重要的是，这种遗传改良不用引入外源基因，在审批和监管方面，比转基因更容易。

谢旗科研团队在北京市房山区测产中科甜968品种，该高粱品种株高4.35米。受访者供图
推广应用
将饭碗牢牢端在自己手中
谢旗告诉封面新闻记者，全国70％以上的种植业产品来自灌溉耕地，农业用水占全国用水总量的比例高达62%。缺水，一直是我国农业面临的一大问题。种植高粱只需少量施肥，还能大幅节约农业灌溉用水。
在收获高粱的同时，盐碱地也在逐渐产生变化。“一片地上生长的植物越多，盐碱就会更多地被带回地下。其实就是通过水的溶解作用，把土地表面的物质带回底层。”谢旗说，通过培育耐盐碱农作物，提高盐渍化土地产能，是保障未来粮食安全和农业发展的重要途径。
“我的科研目标，就是找到最会利用太阳的植物，用最少的地种出最多的粮。”谢旗补充说，我国居民消费肉类数量不断攀升，每年自产粮食约有一半用于猪、牛、羊等动物饲料，仍需大量进口粮食。利用盐碱地扩大高粱种植对“端稳中国人饭碗”的意义，恰恰在于让牛羊等牲畜不再和人类争抢粮食，使人们实现“肉奶自由”。
谢旗表示，下一步，他期待将此前在高粱研究中积累的技术推广至玉米、小麦、水稻等作物，为保障国家粮食安全作出更大的贡献。（来源：封面新闻）

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