“这是全球10亿公顷盐碱地的福音”“这项研究为未来培育耐盐碱植物，打开了一扇大门”“盐碱地有救了”……在中国科学院召开的新闻发布会上，专家们对3月24日发表于《科学》和《国家科学评论》上的作物耐碱研究成果赞不绝口。
以耐盐碱作物高粱为材料，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员团队与中国农业大学于菲菲教授团队、华中农业大学欧阳亦聃教授团队联合10家科研单位，找到了作物耐盐碱的“密码”。他们发现了作物的主效控碱基因AT1及其作用机制。
更重要的是，盐碱地实验证明，敲除该基因可显著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在盐碱地的产量。
亟须探索作物耐碱机制
盐碱地有两种类型，分别是盐化土壤和碱化土壤。由于土壤表层盐类、碱类集积，很多重度盐碱地几乎寸草不生。
联合国粮农组织调查数据显示，截至2015年，全球有超过10亿公顷的盐碱地不能被有效利用，其中碱化土壤面积约占盐碱地的60%。
“目前全球在植物耐盐方面研究力量集中，已取得了很多成果，发表的论文有2万多篇；但对于植物耐碱机制，我们却仍然了解甚少，发表的论文仅457篇。”谢旗坦言。
为何植物耐碱的研究如此欠缺呢？其中一个原因是实验室模式植物如拟南芥，通常并非起源于盐碱地，因此缺乏耐碱遗传适应性。这让科研人员无法深入探索作物的耐碱机制，更加难以将研究结果匹配到生产中。
揭开高粱耐碱奥秘
为了找到合适的实验室模式植物，谢旗等研究人员瞄准高粱，希望能够从高粱入手，揭开其耐碱的奥秘。
“高粱起源于高盐碱的非洲萨赫勒地区，它能够适应各种盐碱地，具有高度丰富的耐碱性遗传资源。”谢旗说。
通过对高粱进行全基因组大数据关联分析，科研人员很快就发现一个与作物产量呈负相关的主效调控耐碱的基因AT1，与水稻的粒形调控基因GS3同源。
同时，利用特异性荧光探针系统，他们首次揭示了作物高抗盐碱的分子机制。在高碱的环境中，作物会产生有害的ROS（活性氧物质），诱导更高的氧化应激损伤。他们发现，敲除基因AT1可以增强水通道蛋白的磷酸化水平，进而调节水通道蛋白的活性，并将多余的ROS排到细胞外，以降低作物的氧化应激损伤。这样，作物就可以顺利地在盐碱地生存了。
另外，科研人员还发现AT1在主要粮食作物水稻、小麦、玉米及谷子中的调控机制，也与高粱相似。
大田实验增产效果显著
在重大理论突破的基础上，科研人员也进行了大田实验。在宁夏平罗盐碱地的实验结果表明，敲除AT1能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量增加近30.5%。
同时，科研人员进一步将AT1用于改善水稻、玉米和谷子等作物的耐盐碱性，在吉林大安盐碱地，水稻不同年份每亩增产22.4%—27.8%，在宁夏平罗盐碱地谷子每亩增产近19.5%。此外，他们发现，敲除该基因也能显著增强玉米在盐碱地的存活率。
科研人员预测，如果全球20%的盐碱地种植AT1基因改良的作物，可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食。该基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望为支撑国家粮食安全及盐碱地综合利用发挥重要作用。