耐盐碱基因：让盐碱地里“稻谷飘香”

于菲菲 沈正伟

近日，中国科学家发现了耐盐碱基因，相关育种技术可以显著提高高粱、水稻、小麦、玉米、谷子等作物在盐碱地的产量，让盐碱地里也能“稻谷飘香”！让我们一起去探寻其中的奥秘吧！

看！这白花花的一片，有没有“疑是经冬雪未销”的感觉？这可不是雪，而是盐碱地里析出的盐。农民常说：“盐碱地里种庄稼，十年九不收。”盐碱地可谓作物杀手。

盐碱地指的是土壤中含有较多的可溶性盐分，不利于作物生长的土地。具体来说，当100克土壤的可溶性盐分中苏打盐（碳酸钠和碳酸氢钠）含量在0.5毫克以上、酸碱度（pH值）大于9、含盐量大于0.3％时，便属于盐碱地。

作物生长需要相对稳定和适宜的外界环境，盐碱地高pH值和高渗透土壤环境，会导致作物减产甚至死亡。这是因为，pH值过高会抑制作物对钾、磷、铁等营养元素的吸收，导致作物“营养不良”；高渗透土壤会导致作物无法从土壤中吸收水分。

水分子会从溶质浓度高的区域向溶质浓度低的区域转移

联合国粮食及农业组织调查数据显示，截至2015年，全球有超过10亿公顷的盐碱地，而且这个数字还会增长。中国土地盐碱化形势同样严峻，在过去的60多年里，中国的盐碱地面积从约2.4万平方千米增加到约4万平方千米，且盐碱化程度还在不断加深。

土地盐碱化问题已经严重危及中国粮食安全，育成耐盐碱作物、提高盐碱化土地利用率、保护国家粮食安全迫在眉睫。

挖掘作物耐盐碱基因是进行耐盐碱育种的关键。

我们知道，作物的性状是由体内基因控制的。在对环境的适应过程中，作物的基因会产生差异，作物也会随之进化。

高粱起源于非洲，是人类最早栽培的禾本科作物之一，相比水稻、小麦，它具有更强的盐碱耐受力。

我们收集了300多份不同地区的高粱原始材料，将它们种植在高盐碱的土地里，根据生长状况分为耐盐碱的品种和不耐盐碱的品种。通过计算，可以将不同品种的基因差异与它们对盐碱的耐受能力关联起来。由此，我们可以确定不同性状的高粱品种到底是哪些基因发生了改变，并最后“锁定”AT1（Alkaline tolerance 1）基因。

生长在盐碱地里的高粱（供图/ 于菲菲）

那么，AT1基因是如何发挥作用的呢？

原来，作物受到盐碱伤害时，细胞会产生活性氧物质（Reactive oxygen species， ROS）。活性氧物质是机体内或者自然环境中由氧组成、含氧并且性质活泼的物质的总称，可作为信号分子调控植物气孔关闭、病害防御等代谢反应，对于作物生长起积极作用。

但是，活性氧物质的生物活性很强，积累过多反而会破坏作物细胞的活性氧平衡（正常条件下，植物体内活性氧含量不多不少，处于一个平衡稳定的状态），影响作物生长发育，降低作物产量。如果想让作物的耐盐碱能力更强，就必须维持好作物细胞的活性氧平衡。

这里就需要水通道蛋白出场了。水通道蛋白是生物膜上的一类具有选择性、高效转运水分功能和特殊空间结构的通道蛋白。它可以将细胞内多余的活性氧物质“泵”到细胞外。但是，并不是所有的水通道蛋白都有这个功能，只有被磷酸化（一种蛋白质修饰）的水通道蛋白才有这个能力。

不同品种的高粱在盐碱环境中的生长情况（供图/ 于菲菲）

我们发现，AT1基因会抑制水通道蛋白的磷酸化。也就是说，使用基因编辑手段敲除AT1基因，就能赋予作物“忍耐”盐碱的“本领”。

实践是检验真理的唯一标准，任何实验成果都必须在生产实践中检验。GS3是AT1在水稻里的同源基因，我们在东北吉林大安盐碱地进行了为期两年的GS3改良的水稻大田生产实验，年增产为24.1%～27.8%。同时，在高粱、谷子、玉米等作物的测产实验中，高粱、谷子的产量以及玉米的存活率都大幅提高。

如果全球20%的盐碱地能使用这项技术，每年至少能增产约2.5亿吨粮食，盐碱地将变成作物高产田！

“强国必先强农，农强方能国强。”培育耐盐碱的粮食作物是切实提高盐碱化土地生产力、解决粮食安全问题的重中之重。在不远的将来，我们餐桌上的米饭、馒头、玉米，可能就来自盐碱地里的作物。

运用化学、生物知识，你还能想到哪些改良盐碱地的方法？

 敲除AT1基因后，作物盐碱耐受力提高（制图/周游）

离子和一些小分子有机物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地通过细胞膜。镶嵌在细胞膜上的一些特殊的蛋白质，能够协助这些物质顺着浓度梯度跨膜运输，这些蛋白质被称为转运蛋白。

转运蛋白分为载体蛋白和通道蛋白两种。通道蛋白包括水通道蛋白和离子通道蛋白等。

载体蛋白只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，而且每次转运时自身也会发生改变。

 右圖为敲除AT1基因的作物，它们在盐碱地中的种植表现和产量明显优于野生作物（供图/于菲菲）

通道蛋白只容许与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过。分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白相结合。

转运蛋白示意图（绘图/ 魏欣）