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作物耐堿“密碼”被找到,鹽堿地有救了

發(fā)布時間:2023-04-06 09:58:00來源: 科技日報

  “這是全球10億公頃鹽堿地的福音”“這項研究為未來培育耐鹽堿植物,打開了一扇大門”“鹽堿地有救了”……在中國科學(xué)院召開的新聞發(fā)布會上,專家們對3月24日發(fā)表于《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》上的作物耐堿研究成果贊不絕口。

  以耐鹽堿作物高粱為材料,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗研究員團隊與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲教授團隊、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽亦聃教授團隊聯(lián)合10家科研單位,找到了作物耐鹽堿的“密碼”。他們發(fā)現(xiàn)了作物的主效控堿基因AT1及其作用機制。

  更重要的是,鹽堿地實驗證明,敲除該基因可顯著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量。

  亟須探索作物耐堿機制

  鹽堿地有兩種類型,分別是鹽化土壤和堿化土壤。由于土壤表層鹽類、堿類集積,很多重度鹽堿地幾乎寸草不生。

  聯(lián)合國糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,截至2015年,全球有超過10億公頃的鹽堿地不能被有效利用,其中堿化土壤面積約占鹽堿地的60%。

  “目前全球在植物耐鹽方面研究力量集中,已取得了很多成果,發(fā)表的論文有2萬多篇;但對于植物耐堿機制,我們卻仍然了解甚少,發(fā)表的論文僅457篇?!敝x旗坦言。

  為何植物耐堿的研究如此欠缺呢?其中一個原因是實驗室模式植物如擬南芥,通常并非起源于鹽堿地,因此缺乏耐堿遺傳適應(yīng)性。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(jié)果匹配到生產(chǎn)中。

  揭開高粱耐堿奧秘

  為了找到合適的實驗室模式植物,謝旗等研究人員瞄準(zhǔn)高粱,希望能夠從高粱入手,揭開其耐堿的奧秘。

  “高粱起源于高鹽堿的非洲薩赫勒地區(qū),它能夠適應(yīng)各種鹽堿地,具有高度豐富的耐堿性遺傳資源?!敝x旗說。

  通過對高粱進行全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析,科研人員很快就發(fā)現(xiàn)一個與作物產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)的主效調(diào)控耐堿的基因AT1,與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。

  同時,利用特異性熒光探針系統(tǒng),他們首次揭示了作物高抗鹽堿的分子機制。在高堿的環(huán)境中,作物會產(chǎn)生有害的ROS(活性氧物質(zhì)),誘導(dǎo)更高的氧化應(yīng)激損傷。他們發(fā)現(xiàn),敲除基因AT1可以增強水通道蛋白的磷酸化水平,進而調(diào)節(jié)水通道蛋白的活性,并將多余的ROS排到細(xì)胞外,以降低作物的氧化應(yīng)激損傷。這樣,作物就可以順利地在鹽堿地生存了。

  另外,科研人員還發(fā)現(xiàn)AT1在主要糧食作物水稻、小麥、玉米及谷子中的調(diào)控機制,也與高粱相似。

  大田實驗增產(chǎn)效果顯著

  在重大理論突破的基礎(chǔ)上,科研人員也進行了大田實驗。在寧夏平羅鹽堿地的實驗結(jié)果表明,敲除AT1能夠使高粱籽粒增產(chǎn)20.1%,全株生物量增加近30.5%。

  同時,科研人員進一步將AT1用于改善水稻、玉米和谷子等作物的耐鹽堿性,在吉林大安鹽堿地,水稻不同年份每畝增產(chǎn)22.4%—27.8%,在寧夏平羅鹽堿地谷子每畝增產(chǎn)近19.5%。此外,他們發(fā)現(xiàn),敲除該基因也能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。

  科研人員預(yù)測,如果全球20%的鹽堿地種植AT1基因改良的作物,可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食。該基因在提高作物耐鹽堿性方面有巨大的應(yīng)用前景,有望為支撐國家糧食安全及鹽堿地綜合利用發(fā)揮重要作用。(陸成寬)

(責(zé)編:李雨潼)

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