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【速看料】鹽堿地“變身”良田 科學(xué)家找到關(guān)鍵基因

2023-03-24 11:50:10來源:中國青年報(bào)客戶端

中青報(bào)·中青網(wǎng)見習(xí)記者 楊潔

在一片與人齊肩的高粱地里,一群人有的戴著太陽帽,有的拿著還未喝完的礦泉水,簇?fù)碓谝黄鹫樟藦埡险铡_@是中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗團(tuán)隊(duì)在農(nóng)場工作的一張普通的合影,但照片上面的致謝名單卻并不普通,上面有中國科學(xué)院院士、植物分子遺傳學(xué)家李家洋,有中國科學(xué)院院士、作物遺傳育種和植物分子生物學(xué)家張啟發(fā),還有三位教授、兩位研究員等。在3月22日中國科學(xué)院舉行的媒體通氣會(huì)上,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗在介紹完一項(xiàng)重大成果后展示了這張照片和致謝名單。

正是這張照片里的科研團(tuán)隊(duì),以耐鹽堿作物高粱為材料首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制。大田實(shí)驗(yàn)證明該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地上的產(chǎn)量,在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。這一重要研究成果于北京時(shí)間2023年3月24日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)和《國家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)。


(資料圖片)

如何把鹽堿地變?yōu)楦弋a(chǎn)地,在世界范圍內(nèi)都是一個(gè)難題。

2022年9月6日,科研團(tuán)隊(duì)在北京市房山區(qū)測產(chǎn)中科甜968品種,該高粱品種株高4.35米。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗團(tuán)隊(duì)供圖

聯(lián)合國糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,截至2015年,全球超過10億公頃鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用,其中鹽堿化土壤約占鹽漬化土壤的60%。研究者表示,如果全球20%的鹽堿地能利用該基因,可為全球生產(chǎn)更多糧食。

謝旗說,鹽堿地分為鹽化土壤和鹽堿化土壤兩種主要類型,鹽化土壤主要是含有氯化鈉、硫酸鈉等中性鹽,pH值(酸堿值)接近中性。他說,“目前全球在植物耐鹽研究方面方法較成熟且研究力量集中,已取得了很多成果,但對(duì)于植物(作物)耐堿機(jī)制仍了解較少?!?/p>

據(jù)他介紹,鹽堿化土壤主要由碳酸鈉或碳酸氫鈉等引起,過去的研究方法主要利用碳酸鈉或碳酸氫鈉調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堿度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在處理過程中pH值變化大且不穩(wěn)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)難度高,研究團(tuán)隊(duì)采用了混合堿(碳酸鈉:碳酸氫鈉=1:5)穩(wěn)定的pH體系。

“另外由于常用的擬南芥等模式植物是甜土植物,適應(yīng)性進(jìn)化耐鹽堿遺傳信息可能存在缺陷而導(dǎo)致相關(guān)研究未有突破。因此為解決耐堿研究的材料選擇瓶頸問題,我們采用了起源于非洲中部貧瘠土地的高粱作為實(shí)驗(yàn)材料。土壤鹽堿大跨度變化的環(huán)境促使高粱通過進(jìn)化形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源?!敝x旗說。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(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)合十家科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)進(jìn)行合作,獨(dú)辟蹊徑,通過全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析耐鹽堿差異大的高粱資源,發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效耐堿基因AT1,該基因與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。他們首次揭示了植物(作物)耐鹽堿的分子機(jī)制。另外還發(fā)現(xiàn)AT1的調(diào)控機(jī)制在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中也存在。

基礎(chǔ)科研的探索,在農(nóng)田里得到了答案。

合作團(tuán)隊(duì)對(duì)高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良,以寧夏平羅鹽堿地(pH值為9.10)進(jìn)行的大田實(shí)驗(yàn)表明,AT1/GS3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%。在吉林大安鹽堿地(pH值為9.17)水稻增產(chǎn)約22.4%-27.8%,在寧夏平羅鹽堿地(pH值為9.10)谷子增產(chǎn)19.5%。

“我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)該基因的改造也能顯著增強(qiáng)玉米在鹽堿地的存活率?!?謝旗說。

有審稿人給該項(xiàng)研究留下了這樣一段評(píng)價(jià):該遺傳學(xué)機(jī)制揭示了植物界基礎(chǔ)科學(xué)重大問題,是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)。另一位審稿人對(duì)此研究高度稱贊,認(rèn)為研究涉及了多種農(nóng)作物,而且工作量巨大;目前關(guān)于重要耐堿的位點(diǎn)未被解析,這個(gè)工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重大突破。

“耐堿性改良關(guān)鍵基因AT1的研究成果,就是面向我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大需求,從基礎(chǔ)研究著手解決實(shí)際問題的典型案例?!痹谥袊茖W(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副所長黃勛看來,AT1基因的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用研究,不僅首次揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制,還證明該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等耐鹽堿作物種質(zhì)產(chǎn)量,在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。

未來,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的科學(xué)家們把目光投向了更艱難的“戰(zhàn)役”:“鹽堿地適生作物創(chuàng)制與產(chǎn)能提升技術(shù)體系”重點(diǎn)任務(wù)、“黃河三角洲耐鹽堿品種創(chuàng)制與綜合利用技術(shù)示范”項(xiàng)目,重點(diǎn)攻關(guān)鹽堿地種業(yè)創(chuàng)新,促進(jìn)鹽堿地綜合利用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

“我們要把飯碗牢牢地端在自己的手里?!贝饲爸x旗研究組在國際上首次揭示了鳥選擇性取食不同品種高粱的機(jī)理和高粱種子包殼程度的調(diào)控機(jī)制,利用基因編輯技術(shù)培育出全球第一個(gè)稻花香型高粱新品系。所培育的耐鹽堿甜高粱品種,在我國東部、北部及西部鹽堿等貧瘠土地已推廣和種植了50多萬畝,為我國脫貧攻堅(jiān)及鄉(xiāng)村振興作出了貢獻(xiàn)。

此次研究成果由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所科研團(tuán)隊(duì)與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、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、寧夏大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)和先正達(dá)集團(tuán)中國十家科研單位、高校、企業(yè)合作完成的。

“通過強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)攻關(guān)、優(yōu)化資源配置和評(píng)價(jià)體系等系列改革與保障措施,多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān),突破鹽堿地綜合利用的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,為保障我國糧食安全作出新的更大的貢獻(xiàn)。”黃勛對(duì)未來充滿信心。

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