·研究人員預(yù)測，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。
(資料圖片僅供參考)
鹽堿地能種出來糧食？
“我老家是江蘇的，有甜高粱，我們當(dāng)甜稈吃，五六歲就知道這個事。”中國科學(xué)院遺傳發(fā)育研究所謝旗研究員說。
他當(dāng)時一定沒想到，幾十年后，他會從高粱中發(fā)現(xiàn)一個價值萬金的基因。
起源于氣候干熱的非洲薩赫勒地區(qū)的高粱，在經(jīng)過漫長的演化并適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境后，為中國科學(xué)家“送來”了首個重要的耐鹽堿基因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)不過來了。
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)在大田實驗測試了包括高粱、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，它將來應(yīng)用的可能性就比較大。”
未來還會有第二個、第三個耐鹽堿基因嗎？
謝旗表示，“這是一個開始。”
在農(nóng)田里一天要喝四五升水
謝旗表示，“我們國家地很大，但水資源分布不均，鹽堿地也多。”農(nóng)業(yè)是一個重大的科學(xué)問題，涉及國家的糧食安全問題。他回國任職時就關(guān)注了植物的抗逆性，但當(dāng)時還都是用模式植物擬南芥來做研究，發(fā)了一些論文，還被評為“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，他開始來布局研究高粱，“先從我們江蘇南通收當(dāng)?shù)氐钠贩N，后來覺得可能太小范圍了，就收集國內(nèi)外的品種開始做研究”。謝旗說。
謝旗表示，“除了在實驗室做實驗，我們都還要下地。要去的鹽堿地，都是荒無人煙的地方，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。”
好在他們的努力沒有白費(fèi)。2023年3月24日上午，他們及中國農(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)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）和《國家科學(xué)評論》（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)合國糧農(nóng)組織的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃的鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用。
研究人員預(yù)測，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。
價值萬金的發(fā)現(xiàn)：取得兩大突破，申請了三個國內(nèi)專利和一個國際專利
謝旗研究員告訴澎湃科技， “以前沒有人知道它有這方面的功能，這在理論方面是一個大的突破。”
謝旗研究員解釋說， AT1蛋白，它在水稻里的同源基因編碼的蛋白是GS3，其實是一個明星蛋白，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)控什么信號通路。我們發(fā)現(xiàn)它通過下游的水通道蛋白把對細(xì)胞有害的ROS——也就是過氧化氫類的分子排出細(xì)胞，來保護(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，沒有任何一個基因能夠用在作物耐鹽堿改良上的。“通過我們的研究，已經(jīng)在五大作物中都證實了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，沒有改造（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。”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證。通過基因編輯，把AT1/GS3這個基因敲掉，作物就高耐鹽堿。這種遺傳改良，不用引入外源基因，相對來說，在應(yīng)用方面、國家審批方面和監(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)合申請的，其中包含三個中國專利，此外還申請了一個國際PCT專利，以便于把相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)覆蓋全球。“當(dāng)然，還需要更多研究來證實我們成果能不能擴(kuò)大應(yīng)用范圍。”
一個基因改變鹽堿地農(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兩個啟示。首先，一定要把基礎(chǔ)研究做得非常好?；A(chǔ)科研做好了，將來才能夠把應(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。”“不是在實驗室做檢測實驗，要到當(dāng)?shù)厝y試，最后才有用，這個是非常重要的一步。”“所以我們現(xiàn)在發(fā)的文章其實很多，但是用的很少。這一點也需要我們重視。”謝旗說。
在未來的研究計劃中，謝旗表示，首先把作物耐堿的信號通路搞得更清楚，基礎(chǔ)理論做好了以后，才能更好的用于生產(chǎn)實踐。其次，“我們能不能把耐鹽和堿都結(jié)合起來？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)用研究的一個方向。”謝旗說。
會有第二個、第三個耐鹽堿基因嗎？
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，“這是一個開始。”
第一作者張會麗：遇瓶頸時，導(dǎo)師曾親自下手做實驗
張會麗是上述兩篇論文的第一作者之一。她2018年入學(xué)，在謝旗研究員實驗室攻讀博士學(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)，開始博士后研究。
張會麗告訴澎湃科技， AT1編碼了G蛋白的γ亞基，蛋白不大，全長僅198個氨基酸。“它是一個負(fù)調(diào)控的因子，把它突變掉了之后，作物是更耐鹽堿的。”
張會麗介紹，謝老師是很早之前就瞄準(zhǔn)了耐鹽堿課題，開展了相關(guān)方面的研究。“我來之前的材料積累非常重要，我們課題組有來自不同地方的高粱種質(zhì)資源。”“我們首先通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了AT1這個基因，然后做了基因功能驗證，發(fā)現(xiàn)AT1確實是一個負(fù)調(diào)控耐堿的基因。通過其他分子生物學(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)的過氧化氫泵出去了，細(xì)胞就存活下來，作物的產(chǎn)量就可能提高。
張會麗表示，5年時間，“（研究進(jìn)展）已經(jīng)算快的了。”“其他耐鹽堿基因，后續(xù)也可能會有。”
張會麗表示，研究過程中，難忘的事太多了。她說，“有很多時候?qū)嶒炦M(jìn)行不下去的時候，我們導(dǎo)師都會親力親為。碰到瓶頸期，實在沒有辦法進(jìn)行下去，都是謝老師親自上陣。”“對于我來說，我的運(yùn)氣非常好，碰見一位好導(dǎo)師。”
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