我国幅员辽阔，拥有着丰富多样的土地资源，但同时也面临着严峻的盐碱地问题。据相关数据显示，我国盐碱地面积约为15亿亩，其中具有开发利用潜力的达5亿亩，主要分布在西北、东北、华北及滨海地区的17个省区。从东海之滨到西北边疆，从炎热的海南到寒冷的松嫩平原，都有盐碱地的身影。东北松嫩平原盐碱地、黄淮海平原的盐渍土、半荒漠内陆盐土以及青海新疆极端干旱的漠境盐土等，都是我国典型的盐碱地类型。
盐碱地的形成是自然与人为双重因素综合作用的结果。在自然因素方面，气候干旱、地下水位高且含盐量大、地形低洼排水不畅等，都为盐分在土壤表层的积累提供了条件。例如，在我国西北干旱地区，降水量稀少，蒸发量大，使得土壤中的盐分不断累积；而在一些地势低洼的地区，排水不畅，盐分也容易聚集。人为因素则主要包括不合理的灌溉制度，如大水漫灌，以及过度开垦、施肥不当等，这些活动加速了土壤盐碱化的进程。
盐碱地就像是农业发展道路上的拦路虎，严重影响着农作物的生长和粮食产量。当土壤中的盐分含量过高，超出了作物正常生长所能承受的范围，就会导致土壤理化性质恶化。高盐分环境会破坏土壤结构，降低土壤通透性，使得作物根系难以正常呼吸和吸收水分、养分。同时，盐碱还会引起土壤pH值失衡，抑制土壤微生物活动，进一步降低土壤肥力。在这样恶劣的环境下，作物细胞渗透压失衡，水分吸收困难，甚至发生生理干旱，其生长速度和品质都会受到极大影响，产量也会大幅下降。相关研究表明，在含盐量超千分之6的土壤中，农作物的产量会减少百分之90，许多盐碱地甚至成为了不毛之地，几乎没有农作物能够生长。
以著名的北大仓为例，这片曾经肥沃的黑土地，由于多年持续耕作，盐碱地面积从1950年的2.4万平方公里扩张到2016年的3.9万平方公里，不少土地也从轻度盐碱化变成了中重度的盐碱化，粮食产量受到了严重威胁。我国面临着“三化”问题（土地盐碱化、土地酸化、黑土地退化）的耕地多达6.6亿亩，约占我国耕地总面积的三分之一，这对我国的粮食安全构成了极大挑战。因此，如何有效治理盐碱地，提高盐碱地的粮食产量，成为了我国农业领域亟待解决的重要课题。
▏****十年磨一剑：耐碱基因AT1的诞生
面对盐碱地这一严峻挑战，我国科学家们没有退缩，而是选择迎难而上，展开了一场艰苦卓绝的科研攻关。中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员科研团队联合中国农业大学、华中农业大学等10家科研单位，踏上了探索耐碱基因的征程。
选择合适的研究材料是成功的关键一步。科研团队经过深思熟虑和大量的前期调研，最终将目光聚焦在了高粱身上。高粱，这种起源于非洲中部贫瘠土地的作物，在长期的进化过程中，逐渐适应了恶劣的环境，形成了高度丰富的耐碱性遗传资源。它具有很强的耐盐碱、耐干旱和耐土壤贫瘠的能力，是世界干旱和半干旱地区的主要粮食来源之一。而且高粱属禾本科，基因组小且种质资源丰富，这使得它成为了理想的挖掘耐盐碱基因资源的模式作物。
确定了研究材料后，科研团队又面临着实验方法的难题。传统的研究方法在处理碱化土壤时，由于pH值变化大且不稳定，导致实验重复难度高。为了解决这一问题，科研团队独辟蹊径，创新地采用混合碱（NaHCO3∶Na2CO3=5∶1）体系来筛选，有效解决了碳酸氢钠分解带来pH值不稳定问题。
在长达10多年的研究过程中，科研团队从国内外搜集了352个不同品系的高粱材料，运用全基因组大数据关联分析技术，对这些材料进行了深入研究。他们根据高粱在高盐碱土的生长状况，将其分为耐盐碱品种和不耐盐碱品种，利用基因编辑技术确认性状表现与基因片段的对应关系，将最优耐盐碱的高粱个体基因与耐碱性较差的高粱基因进行比对。经过无数次的实验、分析和验证，终于在茫茫基因海洋中，锁定了主效耐碱基因AT1（Alkaline Tolerance 1）。该基因编码一个异源三聚体G蛋白γ亚基（Gγ），与水稻的粒形调控基因GS3同源。单倍型分析发现AT1基因内存在一个发生移码突变的自然变异与耐盐碱性状变异呈极显著相关。通过构建高粱AT1过表达、基因编辑和近等基因系等遗传材料并进行耐盐碱表型分析，发现AT1在高粱碱胁迫的响应过程中起负调控作用。也就是说，缺失AT1基因或者改造该基因使其表达变低，作物的耐碱性就会增加。
▏****AT1如何发挥作用
主效耐碱基因AT1的发现，只是解开作物耐碱奥秘的第一步。接下来，科学家们还需要深入探究AT1基因在作物耐碱过程中发挥作用的分子机制，即它是如何在细胞层面运作，帮助作物抵御盐碱胁迫的。
研究发现，AT1基因与水稻的粒形调控基因GS3同源。在高盐碱胁迫环境中，植物细胞会发生一系列复杂的生理变化，其中氧化应激反应是关键环节之一。当植物受到盐碱胁迫时，细胞内会产生过量的活性氧物质（ROS），如过氧化氢（H2O2）。ROS就像一把双刃剑，在低浓度时，它可以作为信号分子，激活植物的防御机制，帮助植物应对逆境；但当ROS浓度过高时，就会对细胞造成氧化损伤，破坏细胞内的生物大分子，如蛋白质、脂质和DNA，导致细胞功能紊乱，甚至死亡。
AT1基因在这个过程中扮演着重要的调控角色。科研团队通过一系列实验，利用免疫共沉淀联合LC-MS蛋白质谱的方法，鉴定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，并证实在植物体内体外它们均存在相互作用。在正常情况下，水通道蛋白可以调节水分和一些小分子物质的跨膜运输，维持细胞的正常生理功能。而在盐碱胁迫下，AT1基因会通过调控水通道蛋白的磷酸化来调节其在逆境情况下的活性。具体来说，当AT1基因存在时，它会抑制水通道蛋白PIP2s 发挥功能所必需的磷酸化，导致水通道蛋白活性降低。而水通道蛋白活性的降低，又会使得细胞内过多的 ROS 无法及时有效地排出到细胞外，从而导致细胞内ROS积累，加剧氧化应激损伤，使植物表现出碱敏感的表型。相反，当AT1基因缺失或被改造后，水通道蛋白的磷酸化不再受到抑制，其活性增强，能够将细胞内过多的ROS泵到细胞外，降低细胞内的ROS浓度，从而有效减轻氧化应激对细胞的损伤，赋予植物高耐盐碱性。
简单来说，AT1基因就像是一个“开关”，通过控制水通道蛋白的活性，调节细胞内ROS的平衡，进而决定了植物对盐碱胁迫的耐受程度。这种全新的分子机制的揭示，不仅为我们深入理解植物耐碱的本质提供了关键线索，也为后续通过基因编辑技术改良作物耐碱性奠定了坚实的理论基础。
**▏耐碱基因带来的巨变-**盐碱地变粮仓
主效耐碱基因AT1的发现及其作用机制的揭示，无疑是农业领域的一项重大突破。但对于科研成果来说，实验室里的成功只是第一步，真正的考验是它能否在广袤的田野中发挥作用，为实际农业生产带来实质性的改变。为了验证AT1基因在提高作物耐盐碱能力和增产方面的实际效果，科研团队在宁夏平罗、吉林大安等多地的盐碱地开展了大规模的大田实验。
宁夏平罗，这片位于黄河上游的土地，拥有着丰富的光热资源，但同时也饱受盐碱地的困扰。这里的盐碱地pH值高达9.10，是典型的重度盐碱地。科研团队在这里进行了高粱和谷子的耐盐碱实验。实验结果令人振奋：经过基因编辑敲除（基因敲除是基因打靶技术的一种，类似于基因的同源重组）AT1基因的高粱，籽粒产量相比对照组增产了20.1%，全株生物量（青贮用）更是增加了近30.5%；而经过基因修饰的谷子，产量也实现了近19.5%的增长。这些数据直观地表明，AT1基因的改造能够显著提高高粱和谷子在重度盐碱地的生长表现和产量。
在东北，吉林大安的盐碱地同样是科研团队关注的重点区域。这里的盐碱地pH值达到了9.17，土壤条件极为恶劣。科研团队将目光投向了水稻，这种对生长环境要求较为苛刻的作物。经过多年的实验，结果显示，敲除AT1同源基因的水稻，在不同年份均实现了增产，增产幅度在22.4%至27.8%之间。这一结果不仅证明了AT1基因在水稻耐盐碱方面的有效性，也为东北地区盐碱地水稻种植提供了新的技术支撑。
除了高粱、谷子和水稻，科研团队还对玉米进行了研究。他们发现，敲除AT1基因同样能显著增强玉米在盐碱地的存活率。这意味着，在未来，玉米这种重要的粮食作物和饲料作物，也有望在盐碱地上广泛种植，为我国的粮食安全和畜牧业发展提供更多保障。
这些大田实验的成功，充分展示了耐碱基因AT1在提高盐碱地作物产量方面的巨大潜力。它就像一把神奇的钥匙，打开了盐碱地变粮仓的大门。通过对AT1基因的编辑和利用，原本在盐碱地上难以生长的作物，如今不仅能够茁壮成长，还能实现大幅度增产。这对于我国乃至全球的农业发展都具有深远的意义。它为解决盐碱地农业生产问题提供了全新的思路和方法，有望成为改善全球粮食安全状况的重要技术手段。
▏我国农业发展的新曙光
从保障我国粮食安全的角度来看，耐碱基因AT1的应用前景极为广阔。我国拥有约15亿亩盐碱地，通过利用AT1基因对高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等主要粮食作物进行耐盐碱育种改良，能够将这些原本难以利用的盐碱地转化为高产农田。据科学家预测，如果我国能够将AT1基因广泛应用于盐碱地农业生产，仅以目前已在实验中取得的增产数据保守估算，每年有望新增数亿吨粮食产量。这对于我国这样一个拥有庞大人口的国家来说，无疑是一个重大的利好消息。它将极大地增强我国粮食生产的稳定性和自给自足能力，减少对进口粮食的依赖，为国家粮食安全提供坚实的保障。
在促进农业可持续发展方面，耐碱基因AT1同样发挥着重要作用。传统的盐碱地改良方法，如大水漫灌、化学改良等，往往成本高昂，且容易对环境造成负面影响。而利用基因编辑技术培育耐盐碱作物，是一种更加绿色、可持续的农业发展方式。它不仅能够减少对淡水资源的过度依赖，降低化肥和农药的使用量，还能有效改善盐碱地的生态环境，实现农业生产与生态保护的良性互动。例如，通过种植耐盐碱作物，可以增加土壤有机质含量，改善土壤结构，减少水土流失，促进土壤微生物的生长和繁殖，从而逐步恢复盐碱地的生态功能。
耐碱基因AT1的发现，还为全球盐碱地治理提供了中国方案，有助于推动全球农业的共同发展。据联合国粮农组织调查数据显示，截至2023年，全球盐碱地的面积为13.81亿公顷，占全球土地总面积的10.7%，盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用。如果全球20%的盐碱地能够利用AT1基因进行改良，那么每年可为全球增产至少2.5亿吨粮食。这将为解决全球粮食短缺问题做出巨大贡献，让更多的人免受饥饿之苦。同时，我国在耐碱基因研究方面的领先成果，也将提升我国在国际农业领域的地位和影响力，促进国际间的农业科技合作与交流。
耐碱基因AT1的发现，是我国农业科技领域的一项重大突破，它为我国农业发展带来了新的曙光。在未来，我们有理由相信，随着AT1基因技术的不断推广和应用，盐碱地将不再是农业发展的“禁区”，而是会变成一片片生机勃勃的“希望田野”，为我国乃至全球的粮食安全和农业可持续发展做出不可估量的贡献。
（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。
初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林
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