“把邊際土地,，特別是鹽堿地的作用發(fā)揮出來,，就能大幅緩解這個壓力。”近日，中國科學院院士李家洋在中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所）舉辦的成果發(fā)布會上說。

通過7年聯(lián)合攻關,，遺傳發(fā)育所謝旗團隊與中國農(nóng)業(yè)大學于菲菲團隊、華中農(nóng)業(yè)大學歐陽亦聃團隊聯(lián)合十家單位,，以高粱為材料,，打開主效耐堿基因AT1的“藏糧密碼”。他們的研究表明,，該基因可在中重度鹽堿地顯著提升高粱,、水稻、小麥,、玉米和谷子等作物的產(chǎn)量,。

“這項研究在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應用前景?！敝袊こ淘涸菏?、中國作物學會理事長萬建民評價。

1,、給鹽堿地研究“補短板”

“大家通常說的‘鹽堿地’其實可分為鹽化土壤,、堿化土壤兩種主要類型?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、遺傳發(fā)育所研究員謝旗對筆者說，其中前者約占全球鹽漬化土地的40%,，后者則占60%左右,。

“耐鹽”與“耐堿”的研究落差緣何如此之大？其中一個難題是實驗室模式植物,，這讓科研人員無法深入探索作物的耐堿機制，更加難以將研究結果匹配到生產(chǎn)中,。

什么才是關鍵的耐堿作物材料,？謝旗把研究目標聚焦在高粱上。

這種谷物起源于非洲中部高鹽堿的薩赫勒地區(qū),，在長期進化中形成了豐富的耐堿性遺傳資源,。過去20多年，謝旗和團隊已經(jīng)培育出6個甜高粱國家登記品種，在我國鹽堿等貧瘠土地上推廣種植50余萬畝,，為脫貧攻堅及鄉(xiāng)村振興提供了科技支撐,。

據(jù)介紹，鹽堿化土壤主要由氧化鈉或氫氧化鈉導致,。實驗室中通常用這兩種化合物調節(jié)系統(tǒng)的堿強度,，這容易導致pH值變化大、不穩(wěn)定,，使實驗無法重復,。為克服這一問題，謝旗團隊專門從寧夏挖了2噸鹽堿土運到北京做實驗,，以保證研究結果的可靠性,。

知其然，還要知其所以然,。為了解該基因耐堿性的機制,，謝旗與中國科學院生物物理研究所研究員陳暢合作，先后利用哺乳動物細胞和作物系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)在高鹽堿脅迫中,，AT1可通過調控水通道蛋白的磷酸化來調節(jié)其在逆境中的活性,，并將逆境中產(chǎn)生的活性氧物質（ROS）泵到細胞外，降低過氧化應激,。

“簡單來說,，堿主要會引起細胞的氧化還原應激，讓細胞中的DNA和蛋白變性,，比如ROS過多會導致細胞損傷或死亡,。而敲除AT1后可以使細胞中的ROS降低?！标悤辰忉?，這使研究團隊首次揭示了作物耐鹽堿的分子機制。

2,、從一次邂逅到一場聯(lián)合攻關

2019年,，一次出差中謝旗與李家洋在機場巧遇。交談中,，謝旗提到正在開展的耐鹽堿研究已經(jīng)進入功能驗證階段,，可能會是一個重要發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)AT1是水稻粒形調控基因GS3的同源基因（一個共同祖先在不同物種中遺傳的基因）,。

李家洋一直在通過水稻研究分子設計育種,，他和團隊創(chuàng)制的“中科發(fā)”804等系列水稻中都含有GS3這一基因。兩人當即敲定合作,。

研究團隊進一步與華中農(nóng)業(yè)大學張啟發(fā)院士等合作,，確認了AT1/GS3基因在水稻和玉米中也能調控對堿的耐受性，相關代謝途徑在不同作物中是保守的。他們把實驗室搬到了吉林大安,，那里的鹽堿地pH值可以達到9.17,。他們發(fā)現(xiàn)，水稻可實現(xiàn)年增產(chǎn)22.4%~27.8%,，表現(xiàn)極其優(yōu)異,。

研究者還在寧夏平羅鹽堿地（pH9.10，鹽6‰）對高粱,、谷子,、玉米等作物進行了大田試驗。他們發(fā)現(xiàn),，用基因剪刀“剪掉”AT1基因能夠使高粱全株生物量（青貯飼料用）增加近30.5%,、籽粒增產(chǎn)20.1%；可讓谷子增產(chǎn)19.5%,；能顯著提高玉米,、小麥在鹽堿地的存活率。

《科學》國際審稿人評價稱,，這項工作揭示了禾本科作物的一個重要保守生物學機制,，是一項重大發(fā)現(xiàn)。

“夯實糧食安全根基,，要從源頭上加強種質資源的創(chuàng)新利用研究,。這項研究是從基礎研究著手解決實際問題的一個典型案例?！敝袊茖W院院士種康評價,。

3、“一個基因改變一個產(chǎn)業(yè)”

從挖掘分子機理到多個地點,、多種作物聯(lián)合攻關,，新研究證明了AT1基因的調控機制在主要糧食作物中的保守性，也說明了其對于相關作物增產(chǎn)的“普適性”,。

多位出席發(fā)布會的專家表示,，這項研究對我國乃至全球糧食安全意義重大。

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù),，2021年我國人均糧食占有量已達到483公斤,，高于國際公認的400公斤安全線。但同年,，我國累計進口糧食創(chuàng)歷史新高,，達到1.6億噸，占當年糧食產(chǎn)量的24%,。

與會專家表示,，我國有11.7億畝的邊際土地，其中包括5億畝左右的鹽堿地,，這為我國糧食增產(chǎn)提供了空間,。

在全球層面，謝旗也算了一筆賬：如果全球20%的鹽堿地利用該基因,，每年可增產(chǎn)至少2.5億噸糧食,。

目前研究團隊已與先正達集團合作，為該基因申請了國際專利,。

當前,，科技界對于基礎與應用研究孰重孰輕仍有許多爭論。在李家洋看來,，基礎與應用研究是一個統(tǒng)一體的兩個基礎面,。“基礎研究需要為應用提供源泉,，應用研究要為基礎研究提供出口,，兩者相輔相成?！彼f,，一項基礎研究從發(fā)現(xiàn)一個重要原理或機制到走向應用是一個創(chuàng)新鏈條，兩者相互結合才能持續(xù)推動解決相關社會問題,，滿足國家重大需求,。

據(jù)悉，這項研究是在中國科學院前瞻性布局科技先導專項（A類）“種子精準設計與創(chuàng)造”專項“環(huán)境智能響應性狀形成的分子基礎”課題支持下取得的重要突破,。該專項旨在針對我國新時期糧食安全等重大戰(zhàn)略需求,，引領分子精準設計育種技術，加速推進新綠色革命,。

“這項研究涉及多種農(nóng)作物,，工作量巨大。研究團隊通力合作,，花費了7年時間才找到這個重要的耐堿位點,。這種面對困難持之以恒的研究實踐體現(xiàn)出的就是科學家精神?！边z傳發(fā)育所前所長,、研究員陳受宜說。

“朋友碰到一塊兒會聊很多事,，有時并不是科學上的事,，但每次碰到謝旗，他總是嘮叨那些高粱的事,，每次都很興奮,?！蹦戏娇萍即髮W教授朱健康說，“科學家有這種精神和對科學濃厚的興趣,，才能堅持這么多年,，做出這么好的成果?！?/p>

朱健康表示,，這項研究已經(jīng)在基礎理論上取得重要突破。他期待未來能夠看到“通過一個基因改變一個產(chǎn)業(yè)”,，讓相關研究在百萬畝,，甚至千萬畝鹽堿地上落地應用。