·研究人員預測，如果全球20%鹽堿地利用上耐鹽堿基因AT1/GS3相關研究成果，每年至少可增產2.5億噸糧食。

·水稻中發現了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，我們當甜稈吃，五六歲就知道這個事。”中國科學院遺傳發育研究所謝旗研究員說。

他當時一定沒想到，幾十年后，他會從高粱中發現一個價值萬金的基因。

起源于氣候干熱的非洲薩赫勒地區的高粱，在經過漫長的演化并適應當地環境后，為中國科學家“送來”了首個重要的耐鹽堿基因AT1/GS3。

10家科研單位聯合攻關多年，一天內連續發表兩篇重要研究論文，應用后，全球每年至少可增產2.5億噸糧食。中國科學家的上述重要研究成果，引發人們廣泛關注和討論。

3月24日，論文上線當天，通訊作者之一、中國科學院遺傳發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，微信已經回復不過來了。

謝旗研究員向澎湃科技表示，最新發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控作物耐鹽堿性狀的功能；其次是在應用上的突破，目前他們已經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、產量和生物量，“主糧都做到了，這樣的話，它將來應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。”農業是一個重大的科學問題，涉及國家的糧食安全問題。他回國任職時就關注了植物的抗逆性，但當時還都是用模式植物擬南芥來做研究，發了一些論文，還被評為“高被引”科學家之一，但就發現很多成果不能直接用上。“我發現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地的品種，后來覺得可能太小范圍了，就收集國內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。2023年3月24日上午，他們及中國農業大學、華中農業大學、中科院生物物理研究所、北京大學現代農業研究院、山東大學、寧夏大學、中科院東北地理所、揚州大學等10家科研單位協同攻關發現并完成驗證的耐鹽堿基因AT1/ GS3相關研究成果先后在線發表在國際學術期刊《科學》（Science）和《國家科學評論》（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%的產量和生物量。

據聯合國糧農組織的調查數據顯示，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。

研究人員預測，如果全球20%鹽堿地利用上述基因相關研究成果，可每年為全球增產至少2.5億噸糧食。

價值萬金的發現：取得兩大突破，申請了三個國內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現，1990年就在植物中被發現，“但誰都不知道它跟作物的耐堿性狀相關，也不知道它調控什么信號通路。我們發現它通過下游的水通道蛋白把對細胞有害的ROS——也就是過氧化氫類的分子排出細胞，來保護細胞。”“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，已經在五大作物中都證實了AT1/GS3能夠提高作物的耐鹽堿性，產量就高了。”“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。”

另一個突破是在應用方面。“直接在作物中有這么好的應用的基因，這應該是第一個。”謝旗告訴澎湃科技，目前他們和其他科研機構合作，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，在應用方面、國家審批方面和監管方面，“比轉基因就容易。”“而且水稻中發現了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，目前的專利是相關科研單位聯合申請的，其中包含三個中國專利，此外還申請了一個國際PCT專利，以便于把相關知識產權覆蓋全球。“當然，還需要更多研究來證實我們成果能不能擴大應用范圍。”

一個基因改變鹽堿地農作物的啟示：基礎研究要做得非常好

謝旗表示，他認為耐鹽堿基因的研究至少帶來兩個啟示。首先，一定要把基礎研究做得非常好。基礎科研做好了，將來才能夠把應用做得更廣。

第二，他認為，要接地氣。 “農業的，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，要到當地去測試，最后才有用，這個是非常重要的一步。”“所以我們現在發的文章其實很多，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，基礎理論做好了以后，才能更好的用于生產實踐。其次，“我們能不能把耐鹽和堿都結合起來？像蘆葦這些野草，它耐鹽堿耐得比我們現在作物更高是吧？我們是不是能夠創造更強的耐鹽堿的作物，或者是耐旱節水的作物。這將是我們應用研究的一個方向。”謝旗說。

會有第二個、第三個耐鹽堿基因嗎？

謝旗表示，目前已經有些canidate（候選基因），正在繼續深入研究，“這是一個開始。”

第一作者張會麗：遇瓶頸時，導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，在謝旗研究員實驗室攻讀博士學位，正式投入到耐鹽堿基因相關課題研究，目前她已經博士畢業，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。“它是一個負調控的因子，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了耐鹽堿課題，開展了相關方面的研究。“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資源。”“我們首先通過全基因組關聯分析，發現了AT1這個基因，然后做了基因功能驗證，發現AT1確實是一個負調控耐堿的基因。通過其他分子生物學的技術，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，在發生磷酸化后，就把細胞內的過氧化氫泵出去了，細胞就存活下來，作物的產量就可能提高。

張會麗表示，5年時間，“（研究進展）已經算快的了。”“其他耐鹽堿基因，后續也可能會有。”

張會麗表示，研究過程中，難忘的事太多了。她說，“有很多時候實驗進行不下去的時候，我們導師都會親力親為。碰到瓶頸期，實在沒有辦法進行下去，都是謝老師親自上陣。”“對于我來說，我的運氣非常好，碰見一位好導師。”

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