·研究人員預(yù)測(cè)，如果全球20%鹽堿地利用上耐鹽堿基因AT1/GS3相關(guān)研究成果，每年至少可增產(chǎn)2.5億噸糧食。
·水稻中發(fā)現(xiàn)了GS3基因的天然突變體，連基因編輯都不用做。
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鹽堿地能種出來(lái)糧食？
“我老家是江蘇的，有甜高粱，我們當(dāng)甜稈吃，五六歲就知道這個(gè)事。”中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育研究所謝旗研究員說(shuō)。
他當(dāng)時(shí)一定沒(méi)想到，幾十年后，他會(huì)從高粱中發(fā)現(xiàn)一個(gè)價(jià)值萬(wàn)金的基因。
起源于氣候干熱的非洲薩赫勒地區(qū)的高粱，在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化并適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境后，為中國(guó)科學(xué)家“送來(lái)”了首個(gè)重要的耐鹽堿基因AT1/GS3。
10家科研單位聯(lián)合攻關(guān)多年，一天內(nèi)連續(xù)發(fā)表兩篇重要研究論文，應(yīng)用后，全球每年至少可增產(chǎn)2.5億噸糧食。中國(guó)科學(xué)家的上述重要研究成果，引發(fā)人們廣泛關(guān)注和討論。
3月24日，論文上線當(dāng)天，通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育研究所謝旗研究員向澎湃科技表示，他接到了很多采訪電話，微信已經(jīng)回復(fù)不過(guò)來(lái)了。
謝旗研究員向澎湃科技表示，最新發(fā)表的耐鹽堿基因研究成果有兩大突破：一是理論突破，此前沒(méi)人知道它有調(diào)控作物耐鹽堿性狀的功能；其次是在應(yīng)用上的突破，目前他們已經(jīng)在大田實(shí)驗(yàn)測(cè)試了包括高粱、水稻、玉米、谷子等主糧作物，均能顯著提升這些作物的耐鹽堿性、產(chǎn)量和生物量，“主糧都做到了，這樣的話，它將來(lái)應(yīng)用的可能性就比較大。”
未來(lái)還會(huì)有第二個(gè)、第三個(gè)耐鹽堿基因嗎？
謝旗表示，“這是一個(gè)開(kāi)始。”
在農(nóng)田里一天要喝四五升水
謝旗表示，“我們國(guó)家地很大，但水資源分布不均，鹽堿地也多。”農(nóng)業(yè)是一個(gè)重大的科學(xué)問(wèn)題，涉及國(guó)家的糧食安全問(wèn)題。他回國(guó)任職時(shí)就關(guān)注了植物的抗逆性，但當(dāng)時(shí)還都是用模式植物擬南芥來(lái)做研究，發(fā)了一些論文，還被評(píng)為“高被引”科學(xué)家之一，但就發(fā)現(xiàn)很多成果不能直接用上。“我發(fā)現(xiàn)的作物里面最耐鹽堿的就是高粱。”
2007年，他開(kāi)始來(lái)布局研究高粱，“先從我們江蘇南通收當(dāng)?shù)氐钠贩N，后來(lái)覺(jué)得可能太小范圍了，就收集國(guó)內(nèi)外的品種開(kāi)始做研究”。謝旗說(shuō)。
謝旗表示，“除了在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，我們都還要下地。要去的鹽堿地，都是荒無(wú)人煙的地方，工作人員很辛苦。去高粱地采樣，都是在夏天，七八月份，室外三十七八度，整天在地里，喝水就要喝四五升水。”
好在他們的努力沒(méi)有白費(fèi)。2023年3月24日上午，他們及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院生物物理研究所、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)、寧夏大學(xué)、中科院東北地理所、揚(yáng)州大學(xué)等10家科研單位協(xié)同攻關(guān)發(fā)現(xiàn)并完成驗(yàn)證的耐鹽堿基因AT1/ GS3相關(guān)研究成果先后在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）和《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。
基于耐鹽堿等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了約20-30%的產(chǎn)量和生物量。
據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過(guò)10億公頃的鹽漬化土壤因鹽堿程度過(guò)高而不能被有效利用。
研究人員預(yù)測(cè)，如果全球20%鹽堿地利用上述基因相關(guān)研究成果，可每年為全球增產(chǎn)至少2.5億噸糧食。
價(jià)值萬(wàn)金的發(fā)現(xiàn)：取得兩大突破，申請(qǐng)了三個(gè)國(guó)內(nèi)專利和一個(gè)國(guó)際專利
謝旗研究員告訴澎湃科技， “以前沒(méi)有人知道它有這方面的功能，這在理論方面是一個(gè)大的突破。”
謝旗研究員解釋說(shuō)， AT1蛋白，它在水稻里的同源基因編碼的蛋白是GS3，其實(shí)是一個(gè)明星蛋白，1970年就在人類基因中被發(fā)現(xiàn)，1990年就在植物中被發(fā)現(xiàn)，“但誰(shuí)都不知道它跟作物的耐堿性狀相關(guān)，也不知道它調(diào)控什么信號(hào)通路。我們發(fā)現(xiàn)它通過(guò)下游的水通道蛋白把對(duì)細(xì)胞有害的ROS——也就是過(guò)氧化氫類的分子排出細(xì)胞，來(lái)保護(hù)細(xì)胞。”“水通道蛋白磷酸化以后，就可以把有害的ROS泵到體外去, 而AT1主要是抑制水通道蛋白的磷酸化，所以其實(shí)是AT1敲除后植物更耐鹽堿。”
鹽和堿還是兩回事。謝旗表示，不是有鹽就有堿。全球10億公頃的鹽堿地里面，60%是堿性的，但以前這方面的研究成果非常少，沒(méi)有任何一個(gè)基因能夠用在作物耐鹽堿改良上的。“通過(guò)我們的研究，已經(jīng)在五大作物中都證實(shí)了AT1/GS3能夠提高作物的耐鹽堿性，產(chǎn)量就高了。”“有的地方，是從死到活。就是說(shuō)，沒(méi)有改造（基因）的話，它（作物）就全部死掉。在這種高鹽堿的地方，改造了（基因）以后，它就能存活。”
另一個(gè)突破是在應(yīng)用方面。“直接在作物中有這么好的應(yīng)用的基因，這應(yīng)該是第一個(gè)。”謝旗告訴澎湃科技，目前他們和其他科研機(jī)構(gòu)合作，完成了高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物的驗(yàn)證。通過(guò)基因編輯，把AT1/GS3這個(gè)基因敲掉，作物就高耐鹽堿。這種遺傳改良，不用引入外源基因，相對(duì)來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用方面、國(guó)家審批方面和監(jiān)管方面，“比轉(zhuǎn)基因就容易。”“而且水稻中發(fā)現(xiàn)了GS3基因的天然突變體，連基因編輯都不用做了。”
在專利方面，謝旗表示，目前的專利是相關(guān)科研單位聯(lián)合申請(qǐng)的，其中包含三個(gè)中國(guó)專利，此外還申請(qǐng)了一個(gè)國(guó)際PCT專利，以便于把相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)覆蓋全球。“當(dāng)然，還需要更多研究來(lái)證實(shí)我們成果能不能擴(kuò)大應(yīng)用范圍。”
一個(gè)基因改變鹽堿地農(nóng)作物的啟示：基礎(chǔ)研究要做得非常好
謝旗表示，他認(rèn)為耐鹽堿基因的研究至少帶來(lái)兩個(gè)啟示。首先，一定要把基礎(chǔ)研究做得非常好。基礎(chǔ)科研做好了，將來(lái)才能夠把應(yīng)用做得更廣。
第二，他認(rèn)為，要接地氣。 “農(nóng)業(yè)的，不是坐到辦公室里就能完成。不光要去地里看，你要去不同的地里看。”“不是在實(shí)驗(yàn)室做檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，要到當(dāng)?shù)厝y(cè)試，最后才有用，這個(gè)是非常重要的一步。”“所以我們現(xiàn)在發(fā)的文章其實(shí)很多，但是用的很少。這一點(diǎn)也需要我們重視。”謝旗說(shuō)。
在未來(lái)的研究計(jì)劃中，謝旗表示，首先把作物耐堿的信號(hào)通路搞得更清楚，基礎(chǔ)理論做好了以后，才能更好的用于生產(chǎn)實(shí)踐。其次，“我們能不能把耐鹽和堿都結(jié)合起來(lái)？像蘆葦這些野草，它耐鹽堿耐得比我們現(xiàn)在作物更高是吧？我們是不是能夠創(chuàng)造更強(qiáng)的耐鹽堿的作物，或者是耐旱節(jié)水的作物。這將是我們應(yīng)用研究的一個(gè)方向。”謝旗說(shuō)。
會(huì)有第二個(gè)、第三個(gè)耐鹽堿基因嗎？
謝旗表示，目前已經(jīng)有些canidate（候選基因），正在繼續(xù)深入研究，“這是一個(gè)開(kāi)始。”
第一作者張會(huì)麗：遇瓶頸時(shí)，導(dǎo)師曾親自下手做實(shí)驗(yàn)
張會(huì)麗是上述兩篇論文的第一作者之一。她2018年入學(xué)，在謝旗研究員實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，正式投入到耐鹽堿基因相關(guān)課題研究，目前她已經(jīng)博士畢業(yè)，開(kāi)始博士后研究。
張會(huì)麗告訴澎湃科技， AT1編碼了G蛋白的γ亞基，蛋白不大，全長(zhǎng)僅198個(gè)氨基酸。“它是一個(gè)負(fù)調(diào)控的因子，把它突變掉了之后，作物是更耐鹽堿的。”
張會(huì)麗介紹，謝老師是很早之前就瞄準(zhǔn)了耐鹽堿課題，開(kāi)展了相關(guān)方面的研究。“我來(lái)之前的材料積累非常重要，我們課題組有來(lái)自不同地方的高粱種質(zhì)資源。”“我們首先通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了AT1這個(gè)基因，然后做了基因功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)AT1確實(shí)是一個(gè)負(fù)調(diào)控耐堿的基因。通過(guò)其他分子生物學(xué)的技術(shù)，我們找到了它的互作蛋白——水通道蛋白。”通過(guò)基因編輯，AT1基因被突變后，水通道蛋白的磷酸化抑制被解除，在發(fā)生磷酸化后，就把細(xì)胞內(nèi)的過(guò)氧化氫泵出去了，細(xì)胞就存活下來(lái)，作物的產(chǎn)量就可能提高。
張會(huì)麗表示，5年時(shí)間，“（研究進(jìn)展）已經(jīng)算快的了。”“其他耐鹽堿基因，后續(xù)也可能會(huì)有。”
張會(huì)麗表示，研究過(guò)程中，難忘的事太多了。她說(shuō)，“有很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)進(jìn)行不下去的時(shí)候，我們導(dǎo)師都會(huì)親力親為。碰到瓶頸期，實(shí)在沒(méi)有辦法進(jìn)行下去，都是謝老師親自上陣。”“對(duì)于我來(lái)說(shuō)，我的運(yùn)氣非常好，碰見(jiàn)一位好導(dǎo)師。”
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