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？2022年9月6日，科研团队在北京市房山区测产中科甜968品种，该高粱品种株高4.35米。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗团队供图“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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