出品：科普中国
作者：李雷（云南省人民政府中国科学院西南生物多样性实验室）
监制：中国科普博览
2023年3月24日凌晨，中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队，与中国科学院生物物理研究所、中国科学院东北地理与农业生态研究所、中国农业大学、华中农业大学、宁夏大学、扬州大学和先正达集团中国，八家单位合作在顶级科学杂志《Science》上刊发了一篇重大研究成果：发现主效耐碱基因AT1及其作用机制，并在大田实验验证了该基因可以显著提高高粱、水稻、小米和玉米等作物产量。
这篇文章到底具体讲了什么内容呢？我们来为大家做一个解读。
盐碱地——我国农业发展的一大威胁
地大物博，相信这是很多人都熟悉的一个词。拥有960万平方公里面积的祖国，养育了数千年的华夏儿女，直到今天，这片土地依然是14亿人赖以生存的根。
然而，你也一定听到过另一句话：“中国用占世界7%的耕地，养活着世界22%的人口”，这是我国创造的另一个奇迹，也是一种无奈。因为我国的耕地面积实在是太少了，所以这些年，我国每年的一号文件都是农业领域的，民以食为天，农业是国民经济的基础，是繁荣的基石。
但是，有一个问题，却对我们的农业产生了严重的威胁，那就是耕地盐碱化！
不知道你见没见过盐碱地，一片很好的土地，上面却是白茫茫的一片，不是霜雪，而是盐碱富集，这样的盐碱地，别说农作物，就是那些非常顽强的野草也难以生长，往往成为了不毛之地。
盐碱地
（图片来源：FAO）
盐碱地是盐地和碱地的合称，受中性钠盐（比如氯化钠和硫酸钠）影响的土壤叫盐地，而受碱解钠盐（如碳酸钠、碳酸氢钠、硅酸钠）影响的土壤称为碱地。
那么，盐碱地是如何形成的呢？本质上在于土壤中的盐离子不平衡。而这个不平衡，是多重因素造成的。土壤水分是盐离子的重要来源，无论是河流湖泊，还是地下水灌溉，或者化肥的使用，都会带来盐离子。如果这些盐离子的量超出了植物的吸收能力，且无法被其他因素清除掉，这些离子就会随着水分的蒸发，在土壤中不断聚集，最终就会导致土壤出现盐碱化。
水和盐碱地形成的关系
（图片来源：FAO）
土地盐碱化和农业息息相关，因此直接威胁着我国的农业生产，比如著名的黑土地，也是养育了无数中华儿女的北大仓，因为多年持续耕作，盐碱地面积逐步扩大，从1950年的2.4万平方公里扩张到2016年的3.9万平方公里，不少土地也从轻度盐碱化变成了中重度的盐碱化。
事实上，不只是东北，从东海之滨到西北边疆，从炎热的海南到寒冷的松嫩平原，都有盐碱地的分布，如果再加上土地酸化、黑土地退化，涉及的耕地已经多达6.6亿亩。这是什么样的规模？按照2022年第三次全国国土调查，我国的耕地面积是19.18亿亩，那么相当于三分之一的耕地面积面临“三化”问题，这将极大地威胁到我国的粮食安全，威胁到国计民生。
盐碱地
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
正因如此，继2022年中央一号文件提出盐碱地的综合利用规划和实施方案，2023年中央一号文件继续关注盐碱地问题，今年更是特别提出了“持续推动由主要治理盐碱地适应作物向更多选育耐盐碱植物适应盐碱地转变，做好盐碱地等耕地后备资源综合开发利用试点。”
而这，也和今天我们这篇文章息息相关，那就是：开发耐盐碱的植物。
如何寻找植物耐盐碱基因？
生命总是拥有最顽强的毅力，能够在意想不到的地方生存。
尽管盐碱地对于很多农作物来说可谓死地，但是，总有一些例外的存在，这就是植物强大的抗逆性，也就是植物抵抗某些不利环境的性状，比如抗寒、抗旱、抗病虫害，当然，也包括耐盐碱。其背后，是植物基因在发挥作用。
那么，如何寻找耐盐碱基因呢？
今天这篇Science给了我们一个经典示范，让我们来全面地了解一下。
第一步：选择一种合适的植物
耐盐碱植物倒是有不少，但是许多植物往往具有地理分布特异性，因此其耐盐碱机制也就有了局限性，我国国土幅员辽阔，涵盖了热带、亚热带、温带和寒带各种气候带，因此要寻找一种能够分布广泛、跨度变化大的作物作为研究对象至关重要。
传统研究喜欢用经典的模式植物——拟南芥，但是这种植物并不是起源于盐碱地，所以在研究耐盐碱的时候有天然缺陷。
经过广泛的调研和实验，科学家选择了高粱这种耐盐碱作物作为研究对象。高粱是一种起源于非洲中部贫瘠土地的作物，并扩散到了全世界。这种能够跨多个区域、在不同盐碱度土壤中生存的能力，足以证明其拥有较强的耐盐碱能力。
高粱
（图片来源：Wikipedia）
第二步：合适的研究体系
有了合适的耐盐碱植物，接下来，就需要有合适的研究体系。
土壤盐碱化主要是由碳酸钠或碳酸氢钠等引起。传统研究为了模拟土壤盐碱化，主要是用这两种碱来调节实验系统的碱度。但是这种调节过程却容易出现pH值不稳定的问题，结果就是，实验体系不稳定，重复难度提高了。
为了实现稳定可靠的盐碱地实验体系，研究团队经过多次尝试，最后确定了混合碱（碳酸钠:碳酸氢钠=1:5）体系，这个体系能够让实验稳定地进行。
有了上述研究，接下来就是探究高粱的耐盐碱基因了。
第三步：全基因组大数据关联，分析寻找耐盐碱基因
基因决定性状，植物耐盐碱背后的因素是基因，为了寻找高粱的耐盐碱基因，研究人员首先收集了许多耐盐碱高粱资源，这些高粱的耐盐碱度存在较大的区别。
不同高粱在实验室构建的稳定盐碱体系下的生长情况
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
接下来，采用全基因关联分析的办法，科学家获取了各种高粱的基因资源，然后根据其耐盐碱的性状，对性状和全基因组进行关联分析，最终，研究人员成功地定位到了一个关键基因：AT1。
通过全基因组关联分析找到的显著信号基因AT1
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
而对AT1基因的验证，也佐证了AT1对于植物耐盐碱过程的重要作用，比如，在高粱里，AT1基因明显和高粱对于盐碱的耐受有关，在高盐碱培养条件下（75mM Alkali），过表达AT1（SbAT1-OE）的生长效果明显不如对照组（SbWT），更不如AT1敲除组（SbAT1-KO）。
AT1基因在高粱耐盐碱中起重要作用
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
不仅如此，在多种禾本科植物中，AT1基因也是保守的，而且能够发挥效果，这可意义匪浅，要知道，禾本科是我们的农作物大户，玉米、水稻、谷子都是禾本科的。
AT1基因在多种农作物中均有效果
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
那么这个AT1基因到底是如何应对盐碱威胁的呢？
研究人员分别在哺乳动物和作物系统模型中对这个基因进行了研究。结果发现，AT1基因主要是通过调控水通道蛋白的磷酸化（plasma membrane intrinsic protein 2s (PIP2s)）来应对高盐碱胁迫。
AT1基因通过PIP2s来响应盐胁迫
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
此外，高盐胁迫情况下，植物还会产生ROS（活性氧物质），这种物质本身对植物也是一种伤害，而AT1基因还能通过调节PIP2s来影响ROS外排，这是科学家首次揭示高等生物高抗盐碱的分子机制。
AT1调控的盐碱胁迫响应机制及AT1的利用可以提高多种作物在盐碱地上的产量
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
实践是检验真理的唯一标准——大田实验佐证AT1的效果
其实科学家对耐盐碱的机制研究已经持续了很多年，也找到了不少耐盐碱基因，但是不少研究当走到实践中时却遇到了诸多问题。那么，这次科学家发现的耐盐碱基因AT1到底能不能在实践应用中发挥作用呢？
研究人员决定在大田中对这个基因的效果进行检验。
首先是高粱，研究团队对高粱进行了耐盐碱育种改良，然后开展大田实验。这次选择的宁夏平罗盐碱地，pH值高达8.5-9.1，属于中度的盐碱地。
结果非常喜人。
AT1基因的利用，能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%。这一成果表明，AT1不仅机制可行，而且在实践中效果显著。
AT1基因敲除增加高粱在盐碱地上的产量
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
当然，AT1基因的意义可不仅仅是调节高粱的耐盐碱度，这是一个在多种作物中均保守存在的基因，包括我们的重要粮食作物——水稻、玉米和谷子。
于是研究人员进一步对这些作物进行了大田实验。
结果发现，AT1基因改良的小米，能够在宁夏平罗盐碱地上增产近19.5%，相当于提高了五分之一的产量。AT1基因改良的玉米在盐碱地中的存活率同样显著增强。
2022年，宁夏省平罗县盐碱地中（盐含量0.7%，pH 8.5）SbWT和SbAT1ko的生长表型
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
而且，这个基因也显示出了很好的跨区域效果。
在距离宁夏平罗1600多公里远的东北吉林大安盐碱地，pH更是高达9.17。研究人员种植了AT1基因修饰改善的水稻、小米和玉米，结果，不同作物的年增产约为24.1%～27.8%，提高幅度达到了四分之一。
AT1/GS3敲除提高盐碱地水稻的产量
（图片来源：中国科学院中国科学院遗传与发育生物学研究所）
大田实验研究充分证明了AT1基因的强大，它能够直接让植物在盐碱地中存活得更好，产量增加。
功在当代，利在千秋
民以食为天，粮食问题事关全人类的根本利益。根据联合国联农组织报告，在当前，全球有45个国家需要粮食援助，其中有6个国家的部分民众面临最高程度的粮食匮乏，即将陷入灾难性饥饿。此外，还有数百万人面临严重饥饿。
而盐碱地往往发生在耕地中，严重威胁着粮食安全，根据联合国联农组织统计，截至2015年，全球有超过10亿公顷土地存在盐碱化问题，而全世界的耕地才15亿公顷。如果我们能够开发哪怕20%的盐碱地，都将给全球至少贡献2.5亿吨的粮食增产。这将极大地缓解粮食危机，让更多的人免于饥饿。
所以，开发出更多的耐盐碱作物，对于缓解全球粮食危机、拯救更多的生命意义重大。
特别值得一提的是，这次研究团队发现的AT1基因，对于重要禾本科作物水稻、玉米和谷子的效果非常显著，要知道，玉米和水稻可是全球产量第一和第二的农作物，是全世界人民的主要粮食来源，因此这个基因改良的作物如果能广泛推广，将给全球带来重大的变化。
可以说，功在当代，利在千秋！
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