中国科学家发现作物耐碱基因，入选中关村论坛开幕重大科技成果

2024中关村论坛年会4月25日开幕，“农作物耐盐碱机制解析及应用”作为重大科技成果之一发布。中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队和多家单位合作，以耐盐碱作物高粱为材料，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。大田实验证明，敲除该基因可显著提升高粱、水稻、小米和玉米等耐盐碱作物种质产量。

以非洲高粱为材料，解决耐碱研究材料选择瓶颈问题

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，其中盐碱化土壤约占盐渍化土壤的60%。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗说，要想使盐碱化土地被有效利用，一方面可以进行土壤改良，另外也可以栽植适地的作物。有企业研究发现，如果改良一亩地，第一年要花2万，后三年每年要花3000元，改造成本约为3万。但是一亩地种出来的作物很难收入1000元，需要二三十年才能回本。所以推进适合盐碱地的耐盐植物尤为重要。

盐碱地分为盐化土壤和盐碱化土壤两种主要类型，盐化土壤主要含有NaCl（氯化钠）、Na2SO4（硫酸钠）等中性盐，pH值接近中性。目前全球在植物耐盐研究方面方法较成熟且研究力量集中，已取得很多成果，但对于植物（作物）耐碱机制仍了解较少。

盐碱化土壤主要由Na2CO3（碳酸钠）或NaHCO3（碳酸氢钠）等引起，过去的研究方法主要利用Na2CO3（碳酸钠）或NaHCO3（碳酸氢钠）来调节实验系统碱度进行实验，在处理过程中pH值变化大且不稳定导致实验重复难度高。此次，研究团队采用了混合碱稳定的pH体系，成功解决了上述问题。

耐碱研究的材料选择此前也面临瓶颈。由于常用的模式植物拟南芥是甜土植物，其适应性进化的耐盐碱遗传信息可能存在缺陷，导致相关研究未有突破。为解决这一问题，研究团队采用了起源于非洲中部贫瘠土地的高粱作为实验材料。当地土壤盐碱大跨度变化的环境，促使高粱通过进化形成了高度丰富的耐碱性遗传资源。

改造AT1基因，作物更耐盐碱

2017年起，科研团队与合作者独辟蹊径，首先通过全基因组大数据，关联分析耐盐碱差异大的高粱资源，发现了一个主效耐碱基因AT1。敲除AT1基因，高粱会更耐盐碱。“我们拥有来自全球的大量高粱资源，有些来自盐碱土地。植物会适应环境进行进化，如果环境非常恶劣，土地盐碱化程度高，植物就会突变一些基因使其更耐盐碱。”他解释。

科研人员还发现，在高盐碱胁迫中，AT1通过调控水通道蛋白的磷酸化来调节在逆境情况下水通道蛋白的活性，并将逆境导致产生的ROS（活性氧物质）泵到细胞外降低过氧化应激，首次揭示了高等生物高抗盐碱的分子机制。AT1的调控机制在主要粮食作物水稻、玉米及小作物谷子中也类似。

团队进一步将AT1基因用于改良主要禾本科作物——水稻、小麦、玉米和谷子等的耐盐碱性。在pH值为9.17的吉林大安盐碱地，不同作物年增产约22.4%至27.8%；在pH值为9.10的宁夏平罗盐碱地，谷子增产19.5%。科研人员还发现，敲除这一基因也能显著增强玉米在盐碱地中的存活率。

由此可见，AT1基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望在推进我国粮食安全中盐碱地综合利用的国家战略方面发挥重要作用。相关研究于2023年3月发表于《科学》。研究者预测，如果在全球20%的盐碱地中利用该基因技术，将明显提高盐碱地产能，每年可为全球增产至少2.5亿吨粮食。

新京报记者 张璐

编辑 樊一婧 校对 李立军

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