于菲菲 沈正偉

近日，中國科學家發(fā)現了耐鹽堿基因，相關育種技術可以顯著提高高粱、水稻、小麥、玉米、谷子等作物在鹽堿地的產量，讓鹽堿地里也能“稻谷飄香”！讓我們一起去探尋其中的奧秘吧！

看！這白花花的一片，有沒有“疑是經冬雪未銷”的感覺？這可不是雪，而是鹽堿地里析出的鹽。農民常說：“鹽堿地里種莊稼，十年九不收?！丙}堿地可謂作物殺手。

鹽堿地指的是土壤中含有較多的可溶性鹽分，不利于作物生長的土地。具體來說，當100克土壤的可溶性鹽分中蘇打鹽（碳酸鈉和碳酸氫鈉）含量在0.5毫克以上、酸堿度（pH值）大于9、含鹽量大于0.3％時，便屬于鹽堿地。

作物生長需要相對穩(wěn)定和適宜的外界環(huán)境，鹽堿地高pH值和高滲透土壤環(huán)境，會導致作物減產甚至死亡。這是因為，pH值過高會抑制作物對鉀、磷、鐵等營養(yǎng)元素的吸收，導致作物“營養(yǎng)不良”；高滲透土壤會導致作物無法從土壤中吸收水分。

水分子會從溶質濃度高的區(qū)域向溶質濃度低的區(qū)域轉移

聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織調查數據顯示，截至2015年，全球有超過10億公頃的鹽堿地，而且這個數字還會增長。中國土地鹽堿化形勢同樣嚴峻，在過去的60多年里，中國的鹽堿地面積從約2.4萬平方千米增加到約4萬平方千米，且鹽堿化程度還在不斷加深。

土地鹽堿化問題已經嚴重危及中國糧食安全，育成耐鹽堿作物、提高鹽堿化土地利用率、保護國家糧食安全迫在眉睫。

挖掘作物耐鹽堿基因是進行耐鹽堿育種的關鍵。

我們知道，作物的性狀是由體內基因控制的。在對環(huán)境的適應過程中，作物的基因會產生差異，作物也會隨之進化。

高粱起源于非洲，是人類最早栽培的禾本科作物之一，相比水稻、小麥，它具有更強的鹽堿耐受力。

我們收集了300多份不同地區(qū)的高粱原始材料，將它們種植在高鹽堿的土地里，根據生長狀況分為耐鹽堿的品種和不耐鹽堿的品種。通過計算，可以將不同品種的基因差異與它們對鹽堿的耐受能力關聯(lián)起來。由此，我們可以確定不同性狀的高粱品種到底是哪些基因發(fā)生了改變，并最后“鎖定”AT1（Alkaline tolerance 1）基因。

生長在鹽堿地里的高粱（供圖/ 于菲菲）

那么，AT1基因是如何發(fā)揮作用的呢？

原來，作物受到鹽堿傷害時，細胞會產生活性氧物質（Reactive oxygen species， ROS）?；钚匝跷镔|是機體內或者自然環(huán)境中由氧組成、含氧并且性質活潑的物質的總稱，可作為信號分子調控植物氣孔關閉、病害防御等代謝反應，對于作物生長起積極作用。

但是，活性氧物質的生物活性很強，積累過多反而會破壞作物細胞的活性氧平衡（正常條件下，植物體內活性氧含量不多不少，處于一個平衡穩(wěn)定的狀態(tài)），影響作物生長發(fā)育，降低作物產量。如果想讓作物的耐鹽堿能力更強，就必須維持好作物細胞的活性氧平衡。

這里就需要水通道蛋白出場了。水通道蛋白是生物膜上的一類具有選擇性、高效轉運水分功能和特殊空間結構的通道蛋白。它可以將細胞內多余的活性氧物質“泵”到細胞外。但是，并不是所有的水通道蛋白都有這個功能，只有被磷酸化（一種蛋白質修飾）的水通道蛋白才有這個能力。

不同品種的高粱在鹽堿環(huán)境中的生長情況（供圖/ 于菲菲）

我們發(fā)現，AT1基因會抑制水通道蛋白的磷酸化。也就是說，使用基因編輯手段敲除AT1基因，就能賦予作物“忍耐”鹽堿的“本領”。

實踐是檢驗真理的唯一標準，任何實驗成果都必須在生產實踐中檢驗。GS3是AT1在水稻里的同源基因，我們在東北吉林大安鹽堿地進行了為期兩年的GS3改良的水稻大田生產實驗，年增產為24.1%～27.8%。同時，在高粱、谷子、玉米等作物的測產實驗中，高粱、谷子的產量以及玉米的存活率都大幅提高。

如果全球20%的鹽堿地能使用這項技術，每年至少能增產約2.5億噸糧食，鹽堿地將變成作物高產田！

“強國必先強農，農強方能國強?！迸嘤望}堿的糧食作物是切實提高鹽堿化土地生產力、解決糧食安全問題的重中之重。在不遠的將來，我們餐桌上的米飯、饅頭、玉米，可能就來自鹽堿地里的作物。

運用化學、生物知識，你還能想到哪些改良鹽堿地的方法？

?敲除AT1基因后，作物鹽堿耐受力提高（制圖/周游）

離子和一些小分子有機物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地通過細胞膜。鑲嵌在細胞膜上的一些特殊的蛋白質，能夠協(xié)助這些物質順著濃度梯度跨膜運輸，這些蛋白質被稱為轉運蛋白。

轉運蛋白分為載體蛋白和通道蛋白兩種。通道蛋白包括水通道蛋白和離子通道蛋白等。

載體蛋白只容許與自身結合部位相適應的分子或離子通過，而且每次轉運時自身也會發(fā)生改變。

?右圖為敲除AT1基因的作物，它們在鹽堿地中的種植表現和產量明顯優(yōu)于野生作物（供圖/于菲菲）

通道蛋白只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過。分子或離子通過通道蛋白時，不需要與通道蛋白相結合。

轉運蛋白示意圖（繪圖/ 魏欣）