我國幅員遼闊，擁有著豐富多樣的土地資源，但同時也面臨著嚴峻的鹽堿地問題。據相關數據顯示，我國鹽堿地面積約為15億畝，其中具有開發利用潛力的達5億畝，主要分布在西北、東北、華北及濱海地區的17個省區。從東海之濱到西北邊疆，從炎熱的海南到寒冷的松嫩平原，都有鹽堿地的身影。東北松嫩平原鹽堿地、黃淮海平原的鹽漬土、半荒漠內陸鹽土以及青海新疆極端干旱的漠境鹽土等，都是我國典型的鹽堿地類型。

鹽堿地的形成是自然與人為雙重因素綜合作用的結果。在自然因素方面，氣候干旱、地下水位高且含鹽量大、地形低洼排水不暢等，都為鹽分在土壤表層的積累提供了條件。例如，在我國西北干旱地區，降水量稀少，蒸發量大，使得土壤中的鹽分不斷累積；而在一些地勢低洼的地區，排水不暢，鹽分也容易聚集。人為因素則主要包括不合理的灌溉制度，如大水漫灌，以及過度開墾、施肥不當等，這些活動加速了土壤鹽堿化的進程。

鹽堿地就像是農業發展道路上的攔路虎，嚴重影響著農作物的生長和糧食產量。當土壤中的鹽分含量過高，超出了作物正常生長所能承受的范圍，就會導致土壤理化性質惡化。高鹽分環境會破壞土壤結構，降低土壤通透性，使得作物根系難以正常呼吸和吸收水分、養分。同時，鹽堿還會引起土壤pH值失衡，抑制土壤微生物活動，進一步降低土壤肥力。在這樣惡劣的環境下，作物細胞滲透壓失衡，水分吸收困難，甚至發生生理干旱，其生長速度和品質都會受到極大影響，產量也會大幅下降。相關研究表明，在含鹽量超千分之6的土壤中，農作物的產量會減少百分之90，許多鹽堿地甚至成為了不毛之地，幾乎沒有農作物能夠生長。

以著名的北大倉為例，這片曾經肥沃的黑土地，由于多年持續耕作，鹽堿地面積從1950年的2.4萬平方公里擴張到2016年的3.9萬平方公里，不少土地也從輕度鹽堿化變成了中重度的鹽堿化，糧食產量受到了嚴重威脅。我國面臨著“三化”問題（土地鹽堿化、土地酸化、黑土地退化）的耕地多達6.6億畝，約占我國耕地總面積的三分之一，這對我國的糧食安全構成了極大挑戰。因此，如何有效治理鹽堿地，提高鹽堿地的糧食產量，成為了我國農業領域亟待解決的重要課題。

▏****十年磨一劍：耐堿基因AT1的誕生

面對鹽堿地這一嚴峻挑戰，我國科學家們沒有退縮，而是選擇迎難而上，展開了一場艱苦卓絕的科研攻關。中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗研究員科研團隊聯合中國農業大學、華中農業大學等10家科研單位，踏上了探索耐堿基因的征程。

選擇合適的研究材料是成功的關鍵一步。科研團隊經過深思熟慮和大量的前期調研，最終將目光聚焦在了高粱身上。高粱，這種起源于非洲中部貧瘠土地的作物，在長期的進化過程中，逐漸適應了惡劣的環境，形成了高度豐富的耐堿性遺傳資源。它具有很強的耐鹽堿、耐干旱和耐土壤貧瘠的能力，是世界干旱和半干旱地區的主要糧食來源之一。而且高粱屬禾本科，基因組小且種質資源豐富，這使得它成為了理想的挖掘耐鹽堿基因資源的模式作物。

確定了研究材料后，科研團隊又面臨著實驗方法的難題。傳統的研究方法在處理堿化土壤時，由于pH值變化大且不穩定，導致實驗重復難度高。為了解決這一問題，科研團隊獨辟蹊徑，創新地采用混合堿（NaHCO3∶Na2CO3=5∶1）體系來篩選，有效解決了碳酸氫鈉分解帶來pH值不穩定問題。

在長達10多年的研究過程中，科研團隊從國內外搜集了352個不同品系的高粱材料，運用全基因組大數據關聯分析技術，對這些材料進行了深入研究。他們根據高粱在高鹽堿土的生長狀況，將其分為耐鹽堿品種和不耐鹽堿品種，利用基因編輯技術確認性狀表現與基因片段的對應關系，將最優耐鹽堿的高粱個體基因與耐堿性較差的高粱基因進行比對。經過無數次的實驗、分析和驗證，終于在茫茫基因海洋中，鎖定了主效耐堿基因AT1（Alkaline Tolerance 1）。該基因編碼一個異源三聚體G蛋白γ亞基（Gγ），與水稻的粒形調控基因GS3同源。單倍型分析發現AT1基因內存在一個發生移碼突變的自然變異與耐鹽堿性狀變異呈極顯著相關。通過構建高粱AT1過表達、基因編輯和近等基因系等遺傳材料并進行耐鹽堿表型分析，發現AT1在高粱堿脅迫的響應過程中起負調控作用。也就是說，缺失AT1基因或者改造該基因使其表達變低，作物的耐堿性就會增加。

▏****AT1如何發揮作用

主效耐堿基因AT1的發現，只是解開作物耐堿奧秘的第一步。接下來，科學家們還需要深入探究AT1基因在作物耐堿過程中發揮作用的分子機制，即它是如何在細胞層面運作，幫助作物抵御鹽堿脅迫的。

研究發現，AT1基因與水稻的粒形調控基因GS3同源。在高鹽堿脅迫環境中，植物細胞會發生一系列復雜的生理變化，其中氧化應激反應是關鍵環節之一。當植物受到鹽堿脅迫時，細胞內會產生過量的活性氧物質（ROS），如過氧化氫（H2O2）。ROS就像一把雙刃劍，在低濃度時，它可以作為信號分子，激活植物的防御機制，幫助植物應對逆境；但當ROS濃度過高時，就會對細胞造成氧化損傷，破壞細胞內的生物大分子，如蛋白質、脂質和DNA，導致細胞功能紊亂，甚至死亡。

AT1基因在這個過程中扮演著重要的調控角色。科研團隊通過一系列實驗，利用免疫共沉淀聯合LC-MS蛋白質譜的方法，鑒定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，并證實在植物體內體外它們均存在相互作用。在正常情況下，水通道蛋白可以調節水分和一些小分子物質的跨膜運輸，維持細胞的正常生理功能。而在鹽堿脅迫下，AT1基因會通過調控水通道蛋白的磷酸化來調節其在逆境情況下的活性。具體來說，當AT1基因存在時，它會抑制水通道蛋白PIP2s 發揮功能所必需的磷酸化，導致水通道蛋白活性降低。而水通道蛋白活性的降低，又會使得細胞內過多的 ROS 無法及時有效地排出到細胞外，從而導致細胞內ROS積累，加劇氧化應激損傷，使植物表現出堿敏感的表型。相反，當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，其活性增強，能夠將細胞內過多的ROS泵到細胞外，降低細胞內的ROS濃度，從而有效減輕氧化應激對細胞的損傷，賦予植物高耐鹽堿性。

簡單來說，AT1基因就像是一個“開關”，通過控制水通道蛋白的活性，調節細胞內ROS的平衡，進而決定了植物對鹽堿脅迫的耐受程度。這種全新的分子機制的揭示，不僅為我們深入理解植物耐堿的本質提供了關鍵線索，也為后續通過基因編輯技術改良作物耐堿性奠定了堅實的理論基礎。

**▏耐堿基因帶來的巨變-**鹽堿地變糧倉

主效耐堿基因AT1的發現及其作用機制的揭示，無疑是農業領域的一項重大突破。但對于科研成果來說，實驗室里的成功只是第一步，真正的考驗是它能否在廣袤的田野中發揮作用，為實際農業生產帶來實質性的改變。為了驗證AT1基因在提高作物耐鹽堿能力和增產方面的實際效果，科研團隊在寧夏平羅、吉林大安等多地的鹽堿地開展了大規模的大田實驗。

寧夏平羅，這片位于黃河上游的土地，擁有著豐富的光熱資源，但同時也飽受鹽堿地的困擾。這里的鹽堿地pH值高達9.10，是典型的重度鹽堿地。科研團隊在這里進行了高粱和谷子的耐鹽堿實驗。實驗結果令人振奮：經過基因編輯敲除（基因敲除是基因打靶技術的一種，類似于基因的同源重組）AT1基因的高粱，籽粒產量相比對照組增產了20.1%，全株生物量（青貯用）更是增加了近30.5%；而經過基因修飾的谷子，產量也實現了近19.5%的增長。這些數據直觀地表明，AT1基因的改造能夠顯著提高高粱和谷子在重度鹽堿地的生長表現和產量。

在東北，吉林大安的鹽堿地同樣是科研團隊關注的重點區域。這里的鹽堿地pH值達到了9.17，土壤條件極為惡劣。科研團隊將目光投向了水稻，這種對生長環境要求較為苛刻的作物。經過多年的實驗，結果顯示，敲除AT1同源基因的水稻，在不同年份均實現了增產，增產幅度在22.4%至27.8%之間。這一結果不僅證明了AT1基因在水稻耐鹽堿方面的有效性，也為東北地區鹽堿地水稻種植提供了新的技術支撐。

除了高粱、谷子和水稻，科研團隊還對玉米進行了研究。他們發現，敲除AT1基因同樣能顯著增強玉米在鹽堿地的存活率。這意味著，在未來，玉米這種重要的糧食作物和飼料作物，也有望在鹽堿地上廣泛種植，為我國的糧食安全和畜牧業發展提供更多保障。

這些大田實驗的成功，充分展示了耐堿基因AT1在提高鹽堿地作物產量方面的巨大潛力。它就像一把神奇的鑰匙，打開了鹽堿地變糧倉的大門。通過對AT1基因的編輯和利用，原本在鹽堿地上難以生長的作物，如今不僅能夠茁壯成長，還能實現大幅度增產。這對于我國乃至全球的農業發展都具有深遠的意義。它為解決鹽堿地農業生產問題提供了全新的思路和方法，有望成為改善全球糧食安全狀況的重要技術手段。

▏我國農業發展的新曙光

從保障我國糧食安全的角度來看，耐堿基因AT1的應用前景極為廣闊。我國擁有約15億畝鹽堿地，通過利用AT1基因對高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等主要糧食作物進行耐鹽堿育種改良，能夠將這些原本難以利用的鹽堿地轉化為高產農田。據科學家預測，如果我國能夠將AT1基因廣泛應用于鹽堿地農業生產，僅以目前已在實驗中取得的增產數據保守估算，每年有望新增數億噸糧食產量。這對于我國這樣一個擁有龐大人口的國家來說，無疑是一個重大的利好消息。它將極大地增強我國糧食生產的穩定性和自給自足能力，減少對進口糧食的依賴，為國家糧食安全提供堅實的保障。

在促進農業可持續發展方面，耐堿基因AT1同樣發揮著重要作用。傳統的鹽堿地改良方法，如大水漫灌、化學改良等，往往成本高昂，且容易對環境造成負面影響。而利用基因編輯技術培育耐鹽堿作物，是一種更加綠色、可持續的農業發展方式。它不僅能夠減少對淡水資源的過度依賴，降低化肥和農藥的使用量，還能有效改善鹽堿地的生態環境，實現農業生產與生態保護的良性互動。例如，通過種植耐鹽堿作物，可以增加土壤有機質含量，改善土壤結構，減少水土流失，促進土壤微生物的生長和繁殖，從而逐步恢復鹽堿地的生態功能。

耐堿基因AT1的發現，還為全球鹽堿地治理提供了中國方案，有助于推動全球農業的共同發展。據聯合國糧農組織調查數據顯示，截至2023年，全球鹽堿地的面積為13.81億公頃?，占全球土地總面積的10.7%，鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用。如果全球20%的鹽堿地能夠利用AT1基因進行改良，那么每年可為全球增產至少2.5億噸糧食。這將為解決全球糧食短缺問題做出巨大貢獻，讓更多的人免受饑餓之苦。同時，我國在耐堿基因研究方面的領先成果，也將提升我國在國際農業領域的地位和影響力，促進國際間的農業科技合作與交流。

耐堿基因AT1的發現，是我國農業科技領域的一項重大突破，它為我國農業發展帶來了新的曙光。在未來，我們有理由相信，隨著AT1基因技術的不斷推廣和應用，鹽堿地將不再是農業發展的“禁區”，而是會變成一片片生機勃勃的“希望田野”，為我國乃至全球的糧食安全和農業可持續發展做出不可估量的貢獻。

（圖片源自網絡）
作者 | 幾維鳥畢業于新西蘭林肯大學。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發表過科普文章。關注事實，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書豪復審 | 魏星華
終審 | 韓永林

來源: 吉林科普微窗