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盐碱地有望变「良田」!中国科学家发现耐碱基因

2023-03-29搞笑

俗话说「盐碱地里种庄稼,十年九不收」,不过现在,盐碱地有望被治愈。

盐碱地有望变「良田」!中国科学家发现耐碱基因

图源:央视新闻

由于土壤表层盐类、碱类集积,绝大部分经济作物都不能在盐碱地里生长,或者大量减产。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,其中盐碱化土约占盐渍化土壤的60%。如果能将这部分土地利用起来,全球粮食产量将有望大幅度提升。

现在,我国科学家的最新成果让人类朝这个目标更进一步——他们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,该基因可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物在盐碱地的产量。

植物的耐碱性研究,有多难?

盐碱地其实不是「一种」地,盐渍化的土地分为中性pH(富含NaCl和Na2SO4)的盐地和高pH的苏打盐碱地(富含Na2CO3或NaHCO3),盐地大约40%,碱地大约60%。

在全球10亿公顷盐碱地中,约四成为中性的盐地,约六成为碱性的碱地。碱地中,除了含盐还含碱性的碳酸钠和碳酸氢钠,条件比中性盐地更为恶劣。研究植物如何耐盐的论文多,已发布超过2万篇;研究植物如何耐碱的论文则很少,才400多篇。

为啥相关研究基础如此薄弱?其中一个重要原因是盐碱化土壤主要由Na2CO3或NaHCO3等引起,过去的研究方法主要利用Na2CO3或NaHCO3来调节实验系统碱度,在实验过程中pH值变化大且不稳定(比如温度升高时会NaHCO3分解形成CO2)导致实验重复难度高;另一个原因是,很多研究使用的材料(如水稻、玉米等)本身的起源地或者种植地并不具备盐碱地条件,很难筛选到关键基因。

可以说,植物的耐碱性研究是一个重大科学问题,这次中国科学家迈出了重要的一步,帮助他们的是高粱。

耐碱基因的发现

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】(【科学】)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。

中科院遗传发育所等单位组成的科研团队使用起源于非洲中部贫瘠土地的高粱作为实验材料,采用混合碱研究方法来调节碱度进行实验。

高粱拥有的基因数量超过3.7万个,从中选取耐碱基因,堪称「大海捞针」。科研团队独辟蹊径,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,发现一个主效控碱基因AT1。研究者发现,缺失AT1基因的高粱材料更耐碱。

在重大理论突破基础上,合作团队对高粱进行耐盐碱育种改良,敲除AT1,增加高粱在盐碱地上的产量。

在科学家的努力之下,越来越多的作物加入进来,除了高粱,水稻、玉米、谷子、小麦也都成功了。大田试验证实,AT1/GS3基因的敲除,能提高盐碱地里高粱、水稻、谷子的产量和生物量,也能提高盐碱土壤玉米的存活率。

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。

盐碱地,我国农业发展的一大威胁

由于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。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。

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。」

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巨大。

何时能吃上这些耐盐碱的作物?

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。

「AT1基因能在多种作物中起到广谱作用,是先导专项很好的范例成果。」中国科学院院士、中科院植物研究所研究员种康表示,该遗传学机制揭示了植物界基础科学重大问题,是科学界的重大发现。AT1基因在提高作物耐盐碱性方面的巨大应用前景,有望为支撑我国国家粮食安全中盐碱地综合利用的国家战略发挥重要作用。而相关育种技术不引入任何外源基因,其原理是自然界已经产生的基因变异,又为生物安全和未来推广提供了多一重保障。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗表示,科研人员已经在自然界中发现,有的水稻品种含有AT1/GS3基因的耐盐碱自然变异形式,导入这种自然变异形式的6个北方水稻品种种植面积较大,且已走上百姓餐桌。「水稻不仅耐盐碱,且粒长变长了,长粒米受到南方百姓欢迎,售价也更高一些。」

谢旗同时表示,此项研究成果已经申请了国际专利保护。「其未来的推广应用,我们是有自主知识产权的。」

(中国小康网综合央视新闻、中国国家地理、经济日报、中国青年网等)