作者:吴跃伟 张周楚 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/3/29 8:41:00
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专访|耐盐碱基因发现者:盐碱地上种粮食,“这是一个开始”

 

·研究人员预测,如果全球20%盐碱地利用上耐盐碱基因AT1/GS3相关研究成果,每年至少可增产2.5亿吨粮食。

·水稻中发现了GS3基因的天然突变体,连基因编辑都不用做。

盐碱地能种出来粮食?

“我老家是江苏的,有甜高粱,我们当甜秆吃,五六岁就知道这个事。”中国科学院遗传发育研究所谢旗研究员说。

他当时一定没想到,几十年后,他会从高粱中发现一个价值万金的基因。

起源于气候干热的非洲萨赫勒地区的高粱,在经过漫长的演化并适应当地环境后,为中国科学家“送来”了首个重要的耐盐碱基因AT1/GS3。

10家科研单位联合攻关多年,一天内连续发表两篇重要研究论文,应用后,全球每年至少可增产2.5亿吨粮食。中国科学家的上述重要研究成果,引发人们广泛关注和讨论。

3月24日,论文上线当天,通讯作者之一、中国科学院遗传发育研究所谢旗研究员向澎湃科技表示,他接到了很多采访电话,微信已经回复不过来了。

谢旗研究员向澎湃科技表示,最新发表的耐盐碱基因研究成果有两大突破:一是理论突破,此前没人知道它有调控作物耐盐碱性状的功能;其次是在应用上的突破,目前他们已经在大田实验测试了包括高粱、水稻、玉米、谷子等主粮作物,均能显著提升这些作物的耐盐碱性、产量和生物量,“主粮都做到了,这样的话,它将来应用的可能性就比较大。”

未来还会有第二个、第三个耐盐碱基因吗?

谢旗表示,“这是一个开始。”

在农田里一天要喝四五升水

谢旗表示,“我们国家地很大,但水资源分布不均,盐碱地也多。”农业是一个重大的科学问题,涉及国家的粮食安全问题。他回国任职时就关注了植物的抗逆性,但当时还都是用模式植物拟南芥来做研究,发了一些论文,还被评为“高被引”科学家之一,但就发现很多成果不能直接用上。“我发现的作物里面最耐盐碱的就是高粱。”

2007年,他开始来布局研究高粱,“先从我们江苏南通收当地的品种,后来觉得可能太小范围了,就收集国内外的品种开始做研究”。谢旗说。

谢旗表示,“除了在实验室做实验,我们都还要下地。要去的盐碱地,都是荒无人烟的地方,工作人员很辛苦。去高粱地采样,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。”

好在他们的努力没有白费。2023年3月24日上午,他们及中国农业大学、华中农业大学、中科院生物物理研究所、北京大学现代农业研究院、山东大学、宁夏大学、中科院东北地理所、扬州大学等10家科研单位协同攻关发现并完成验证的耐盐碱基因AT1/ GS3相关研究成果先后在线发表在国际学术期刊《科学》(Science)和《国家科学评论》(National Science Review)上。

基于耐盐碱等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了约20-30%的产量和生物量。

据联合国粮农组织的调查数据显示,截至2015年,全球有超过10亿公顷的盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用。

研究人员预测,如果全球20%盐碱地利用上述基因相关研究成果,可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食。

价值万金的发现:取得两大突破,申请了三个国内专利和一个国际专利

谢旗研究员告诉澎湃科技, “以前没有人知道它有这方面的功能,这在理论方面是一个大的突破。”

谢旗研究员解释说, AT1蛋白,它在水稻里的同源基因编码的蛋白是GS3,其实是一个明星蛋白,1970年就在人类基因中被发现,1990年就在植物中被发现,“但谁都不知道它跟作物的耐碱性状相关,也不知道它调控什么信号通路。我们发现它通过下游的水通道蛋白把对细胞有害的ROS——也就是过氧化氢类的分子排出细胞,来保护细胞。”“水通道蛋白磷酸化以后,就可以把有害的ROS泵到体外去, 而AT1主要是抑制水通道蛋白的磷酸化,所以其实是AT1敲除后植物更耐盐碱。”

盐和碱还是两回事。谢旗表示,不是有盐就有碱。全球10亿公顷的盐碱地里面,60%是碱性的,但以前这方面的研究成果非常少,没有任何一个基因能够用在作物耐盐碱改良上的。“通过我们的研究,已经在五大作物中都证实了AT1/GS3能够提高作物的耐盐碱性,产量就高了。”“有的地方,是从死到活。就是说,没有改造(基因)的话,它(作物)就全部死掉。在这种高盐碱的地方,改造了(基因)以后,它就能存活。”

另一个突破是在应用方面。“直接在作物中有这么好的应用的基因,这应该是第一个。”谢旗告诉澎湃科技,目前他们和其他科研机构合作,完成了高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物的验证。通过基因编辑,把AT1/GS3这个基因敲掉,作物就高耐盐碱。这种遗传改良,不用引入外源基因,相对来说,在应用方面、国家审批方面和监管方面,“比转基因就容易。”“而且水稻中发现了GS3基因的天然突变体,连基因编辑都不用做了。”

在专利方面,谢旗表示,目前的专利是相关科研单位联合申请的,其中包含三个中国专利,此外还申请了一个国际PCT专利,以便于把相关知识产权覆盖全球。“当然,还需要更多研究来证实我们成果能不能扩大应用范围。”

一个基因改变盐碱地农作物的启示:基础研究要做得非常好

谢旗表示,他认为耐盐碱基因的研究至少带来两个启示。首先,一定要把基础研究做得非常好。基础科研做好了,将来才能够把应用做得更广。

第二,他认为,要接地气。 “农业的,不是坐到办公室里就能完成。不光要去地里看,你要去不同的地里看。”“不是在实验室做检测实验,要到当地去测试,最后才有用,这个是非常重要的一步。”“所以我们现在发的文章其实很多,但是用的很少。这一点也需要我们重视。”谢旗说。

在未来的研究计划中,谢旗表示,首先把作物耐碱的信号通路搞得更清楚,基础理论做好了以后,才能更好的用于生产实践。其次,“我们能不能把耐盐和碱都结合起来?像芦苇这些野草,它耐盐碱耐得比我们现在作物更高是吧?我们是不是能够创造更强的耐盐碱的作物,或者是耐旱节水的作物。这将是我们应用研究的一个方向。”谢旗说。

会有第二个、第三个耐盐碱基因吗?

谢旗表示,目前已经有些canidate(候选基因),正在继续深入研究,“这是一个开始。”

第一作者张会丽:遇瓶颈时,导师曾亲自下手做实验

张会丽是上述两篇论文的第一作者之一。她2018年入学,在谢旗研究员实验室攻读博士学位,正式投入到耐盐碱基因相关课题研究,目前她已经博士毕业,开始博士后研究。

张会丽告诉澎湃科技, AT1编码了G蛋白的γ亚基,蛋白不大,全长仅198个氨基酸。“它是一个负调控的因子,把它突变掉了之后,作物是更耐盐碱的。”

张会丽介绍,谢老师是很早之前就瞄准了耐盐碱课题,开展了相关方面的研究。“我来之前的材料积累非常重要,我们课题组有来自不同地方的高粱种质资源。”“我们首先通过全基因组关联分析,发现了AT1这个基因,然后做了基因功能验证,发现AT1确实是一个负调控耐碱的基因。通过其他分子生物学的技术,我们找到了它的互作蛋白——水通道蛋白。”通过基因编辑,AT1基因被突变后,水通道蛋白的磷酸化抑制被解除,在发生磷酸化后,就把细胞内的过氧化氢泵出去了,细胞就存活下来,作物的产量就可能提高。

张会丽表示,5年时间,“(研究进展)已经算快的了。”“其他耐盐碱基因,后续也可能会有。”

张会丽表示,研究过程中,难忘的事太多了。她说,“有很多时候实验进行不下去的时候,我们导师都会亲力亲为。碰到瓶颈期,实在没有办法进行下去,都是谢老师亲自上阵。”“对于我来说,我的运气非常好,碰见一位好导师。”

 
 
 
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