2023年3月24日凌晨,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所科研團(tuán)隊,與中國科學(xué)院生物物理研究所、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、寧夏大學(xué)、揚州大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國,八家單位合作在頂級科學(xué)雜志《Science》上刊發(fā)了一篇重大研究成果:發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機制,并在大田實驗驗證了該基因可以顯著提高高粱、水稻、小米和玉米等作物產(chǎn)量。
這是一個能落到實地的研究,而且有大田證據(jù)。這篇文章到底具體講了什么內(nèi)容呢?我們來為大家做一個解讀。
01,鹽堿地——我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大威脅
地大物博,相信這是很多人都熟悉的一個詞。擁有960萬平方公里面積的祖國,養(yǎng)育了數(shù)千年的華夏兒女,直到今天,這片土地依然是14億人賴以生存的根。
然而,你也一定聽到過另一句話:“中國用占世界7%的耕地,養(yǎng)活著世界22%的人口”,這是我國創(chuàng)造的另一個奇跡,也是一種無奈。因為我國的耕地面積實在是太少了,所以這些年,我國每年的一號文件都是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的,民以食為天,農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),是繁榮的基石。
但是,有一個問題,卻對我們的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重要的威脅,那就是耕地鹽堿化!
不知道你見沒見過鹽堿地,一片很好的土地,上面卻是白茫茫的一片,不是霜雪,而是鹽堿富集,這樣的鹽堿地,別說農(nóng)作物,就是那些非常頑強的野草也難以生長,往往成為了不毛之地。
鹽堿地(圖片來源:FAO)
鹽堿地是鹽地和堿地的合稱,受中性鈉鹽(比如氯化鈉和硫酸鈉)影響的土壤叫鹽地,而受堿解鈉鹽(如碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉)影響的土壤稱為堿地。
02,鹽堿地是如何形成的呢?
那么,鹽堿地是如何形成的呢?本質(zhì)上在于土壤中的鹽離子不平衡。而這個不平衡,是多重因素造成的。土壤水分是鹽離子的重要來源,無論是河流湖泊,還是地下水灌溉,或者化肥的使用,都會帶來鹽離子。如果這些鹽離子的量超出了植物的吸收能力,且無法被其他因素清除掉,這些離子就會隨著水分的蒸發(fā),在土壤中不斷聚集,最終就會導(dǎo)致土壤出現(xiàn)鹽堿化。
水和鹽堿地形成的關(guān)系(圖片來源:FAO)
土地鹽堿化和農(nóng)業(yè)息息相關(guān),因此直接威脅著我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),比如著名的黑土地,也是養(yǎng)育了無數(shù)中華兒女的北大倉,因為多年持續(xù)耕作,鹽堿地面積逐步擴(kuò)大,從1950年的2.4萬平方公里擴(kuò)張到2016年的3.9萬平方公里,不少土地也從輕度鹽堿化變成了中重度的鹽堿化。
事實上,不只是東北,從東海之濱到西北邊疆,從炎熱的海南到寒冷的松嫩平原,都有鹽堿地的分布,如果再加上土地酸化、黑土地退化,涉及的耕地已經(jīng)多達(dá)6.6億畝。這是什么樣的規(guī)模?按照2022年第三次全國國土調(diào)查,我國的耕地面積是19.18億畝,那么相當(dāng)于三分之一的耕地面積面臨“三化”問題,這將極大地威脅到我國的糧食安全,威脅到國計民生。
鹽堿地
正因如此,繼2022年中央一號文件提出鹽堿地的綜合利用規(guī)劃和實施方案,2023年中央一號文件繼續(xù)關(guān)注鹽堿地問題,今年更是特別提出了“持續(xù)推動由主要治理鹽堿地適應(yīng)作物向更多選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地轉(zhuǎn)變,做好鹽堿地等耕地后備資源綜合開發(fā)利用試點?!?/p>
而這,也和今天我們這篇文章息息相關(guān),那就是:開發(fā)耐鹽堿的植物。
03,如何尋找植物耐鹽堿基因?
生命總是擁有最頑強的毅力,能夠在意想不到的地方生存。
盡管鹽堿地對于很多農(nóng)作物來說可謂死地,但是,總有一些例外的存在,這就是植物強大的抗逆性,也就是植物抵抗某些不利環(huán)境的性狀,比如抗寒、抗旱、抗病蟲害,當(dāng)然,也包括耐鹽堿。其背后,是植物基因在發(fā)揮作用。
那么,如何尋找耐鹽堿基因呢?今天這篇Science給了我們一個經(jīng)典示范,讓我們來全面的了解一下。
第一步:選擇一種合適的植物。
耐鹽堿植物倒是有不少,但是許多植物往往具有地理分布特異性,因此其耐鹽堿機制也就有了局限性,我國國土幅員遼闊,涵蓋了熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶各種氣候帶,因此要尋找一種能夠分布廣泛、跨度變化大的作物作為研究對象至關(guān)重要。
傳統(tǒng)研究喜歡用經(jīng)典的模式植物——擬南芥,但是這種植物并不是起源于鹽堿地,所以在研究耐鹽堿的時候有天然缺陷。
經(jīng)過廣泛的調(diào)研和實驗,科學(xué)家選擇了高粱這種耐鹽堿作物作為研究對象。高粱是一種起源于非洲中部貧瘠土地的作物,并擴(kuò)散到了全世界。這種能夠跨多個區(qū)域、在不同鹽堿度土壤中生存的能力,足以證明其擁有較強的耐鹽堿能力。
高粱(圖片來源:Wikipedia)
第二步:合適的研究體系。
有了合適的耐鹽堿植物,接下來,就需要有合適的研究體系。土壤鹽堿化主要是由碳酸鈉或碳酸氫鈉等引起。傳統(tǒng)研究為了模擬土壤鹽堿化,主要是用這兩種堿來調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的堿度。但是這種調(diào)節(jié)過程卻容易出現(xiàn)pH值不穩(wěn)定的問題,結(jié)果就是,實驗體系不穩(wěn)定,重復(fù)難度提高了。
為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的鹽堿地實驗體系,研究團(tuán)隊經(jīng)過多次嘗試,最后確定了混合堿(碳酸鈉t:碳酸氫鈉=1:5)體系,這個體系能夠讓實驗穩(wěn)定地進(jìn)行。
有了上述研究,接下來就是探究高粱的耐鹽堿基因了。
第三步:全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),分析尋找耐鹽堿基因
基因決定性狀,植物耐鹽堿背后的因素是基因,為了尋找高粱的耐鹽堿基因,研究人員首先收集了許多耐鹽堿高粱資源,這些高粱的耐鹽堿度存在較大的區(qū)別。
不同高粱在實驗室構(gòu)建的穩(wěn)定鹽堿體系下生長情況(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
接下來,采用全基因關(guān)聯(lián)分析的辦法,科學(xué)家獲取了各種高粱的基因資源,然后根據(jù)其耐鹽堿的性狀,對性狀和全基因組進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,最終,研究人員成功地定位到了一個關(guān)鍵基因:AT1。
通過全基因組關(guān)聯(lián)分析找到的顯著信號基因AT1(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
而對AT1基因的驗證,也佐證了AT1對于植物耐鹽堿過程的重要作用,比如,在高粱里,AT1基因明顯和高粱對于鹽堿的耐受有關(guān),在高鹽堿培養(yǎng)條件下(75mM Alkali),過表達(dá)AT1(SbAT1-OE)的生長效果明顯不如對照組(SbWT),更不如AT1敲除組(SbAT1-KO)。
AT1基因在高粱耐鹽堿中起重要作用(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
不僅如此,在多種禾本科植物中,AT1基因也是保守的,而且能夠發(fā)揮效果,這可意義匪淺,要知道,禾本科是我們的農(nóng)作物大戶,玉米、水稻、谷子都是禾本科的。
AT1基因在多種農(nóng)作物中均有效果(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
04,AT1基因到底是如何應(yīng)對鹽堿威脅呢?
那么這個AT1基因到底是如何應(yīng)對鹽堿威脅呢?研究人員分別在哺乳動物和作物系統(tǒng)模型中對這個基因進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),AT1基因主要是通過調(diào)控水通道蛋白的磷酸化(plasma membrane intrinsic protein 2s (PIP2s))來應(yīng)對高鹽堿脅迫。
AT1基因通過PIP2s來響應(yīng)鹽脅迫(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
此外,高鹽脅迫情況下,植物還會產(chǎn)生ROS(活性氧物質(zhì)),這種物質(zhì)本身對植物也是一種傷害,而AT1基因還能通過調(diào)節(jié)PIPs來影響ROS外排,這是科學(xué)家首次揭示高等生物高抗鹽堿的分子機制。
AT1調(diào)控的鹽堿脅迫響應(yīng)機制及AT1的利用可以提高多種作物在鹽堿地上的產(chǎn)量
05,大田實驗佐證AT1的效果
實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)——大田實驗佐證AT1的效果
其實科學(xué)家對耐鹽堿的機制研究已經(jīng)持續(xù)了很多年,也找到了不少耐鹽堿基因,但是不少研究當(dāng)走到實踐中時卻遇到了諸多問題。那么,這次科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的耐鹽堿基因AT1到底能不能在實踐應(yīng)用中發(fā)揮作用呢?
研究人員決定在大田中對這個基因的效果進(jìn)行檢驗。
首先是高粱,研究團(tuán)隊對高粱進(jìn)行了耐鹽堿育種改良,然后開展大田實驗。這次選擇的寧夏平羅鹽堿地,pH值高達(dá)8.5-9.1,屬于中度的鹽堿地。
結(jié)果非常喜人。
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%。這一成果表明,AT1不僅機制可行,而且在實踐中效果顯著。
AT1基因敲除增加高粱在鹽堿地上的產(chǎn)量(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
當(dāng)然,AT1基因的意義可不僅僅是調(diào)節(jié)高粱的耐鹽堿度, 這是一個在多種作物中均保守存在的基因,包括我們的重要糧食作物——水稻、玉米和谷子。
于是研究人員進(jìn)一步對這些作物進(jìn)行了大田實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),AT1基因改良的小米,能夠在寧夏平羅鹽堿地上增產(chǎn)近19.5%,相當(dāng)于提高了五分之一的產(chǎn)量。AT1基因改良的玉米在鹽堿地中的存活率同樣顯著增強。
2022年,寧夏省平羅縣鹽堿地中(鹽含量0.7%,pH 8.5)SbWT和SbAT1ko的生長表型(圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)
而且,這個基因也顯示出了很好的跨區(qū)域效果。
在距離寧夏平羅1600多公里遠(yuǎn)的東北吉林大安鹽堿地,pH更是高達(dá)9.17。研究人員種植了AT1基因修飾改善的水稻、小米和玉米,結(jié)果,不同作物的年增產(chǎn)約為24.1%~27.8%,提高幅度達(dá)到了四分之一。
(AT1/GS3敲除提高鹽堿地水稻的產(chǎn)量 (圖片來源:中國科學(xué)院中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所))
大田實驗研究充分證明了AT1基因的強大,它能夠直接讓植物在鹽堿地中存活得更好,產(chǎn)量增加。
06,功在當(dāng)代,利在千秋
民以食為天,糧食問題事關(guān)全人類的根本利益。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告,在當(dāng)前,全球有45個國家需要糧食援助,其中有6個國家的部分民眾面臨最高程度的糧食匱乏,即將陷入災(zāi)難性饑餓。此外,還有數(shù)百萬人面臨嚴(yán)重饑餓。
而鹽堿地往往發(fā)生在耕地中,嚴(yán)重威脅著糧食安全,根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,截至2015年,全球有超過10億公頃土地存在鹽堿化問題,而全世界的耕地才15億公頃。如果我們能夠開發(fā)哪怕20%的鹽堿地,都將給全球至少貢獻(xiàn)2.5億噸的糧食增產(chǎn)。這將極大地緩解糧食危機,讓更多的人免于饑餓。
所以,開發(fā)出更多的耐鹽堿作物,對于緩解全球糧食危機、拯救更多的生命意義巨大。
特別值得一提的是,這次研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的AT1基因,對于重要禾本科作物水稻、玉米和谷子的效果非常顯著,要知道,玉米和水稻可是全球產(chǎn)量第一和第二的農(nóng)作物,是全世界人民的主要糧食來源,因此這個基因改良的作物如果能廣泛推廣,將給全球帶來重大的變化。
可以說,功在當(dāng)代,利在千秋!