北京日报客户端 | 记者 汪丹

俗话说：“盐碱地里种庄稼，十年九不收”。盐碱地，是农民最发愁的一种土地，因为土壤表层的盐类、碱类累积，导致大部分作物不能在其中生长，即便长成也会大量减产。联合国粮农组织的调查数据显示，全球近10亿公顷盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用，其中碱化土壤约占盐渍化土壤的60%。如果能解决这个问题，全球粮食产量将大幅提升。

现在，我国科学家以耐盐碱作物高粱为突破口，首次发现主效耐碱基因AT1（Alkali tolerance 1）及其作用机制。大田实验证明，该基因可显著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在盐碱地的存活率和产量。今天我们请负责这项研究的中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学的于菲菲团队来详细介绍这项研究成果，及其对中国乃至世界粮食安全带来的积极影响。

盐碱地并不是“一种”地

盐碱地并不是“一种”地，其土壤自然也不是单纯的“一种”土。

盐碱地是指地下水位升高、矿化度增强，加上气候干旱和蒸发强烈，导致深层土壤盐分随水分蒸发向表层土迁移，表层土盐化或碱化程度加重的现象。广义上的盐碱土是人们对盐土和碱土的统称，其中，盐土是指受中性钠盐（主要是氯化钠和硫酸钠）影响的土壤；碱土是指受碱性钠盐（主要是碳酸钠和碳酸氢钠）影响的土壤。

盐碱土形成的实质是可溶性盐类在土壤中发生重新分布，盐分在土壤表层的积累超过了正常值。当100克土壤的可溶性盐组成成分中苏打盐（碳酸钠和碳酸氢钠）的含量在0.5毫克以上、pH值（酸碱度）多大于9、含盐量大于0.3％时，便属于盐碱地的范畴。而我国大部分农作物适宜种植在含盐量0.3%以下、pH值在5.5-7.5的偏酸性土壤中。

盐碱地为何会影响作物生长呢？

一方面，高浓度的盐分环境会提高土壤溶液的渗透压，导致植物从土壤中吸收水分困难，情况严重时还会导致植物根部水分外渗，最终使植物萎蔫甚至死亡；另一方面，土壤中钠离子含量及pH值过高，会抑制植物对钾、磷、铁等营养元素的吸收，导致植物“营养不良”，危害其正常的生长和结实。此外，近些年科学家研究发现，土壤盐分增加及pH值升高都会影响土壤微生物的活动，改变土壤中微生物群落丰度和构成，导致土壤养分利用率和土壤肥力下降。

总之，不论是碱土还是盐土均会改变土壤原有的理化性质，如表现为土壤颗粒密度增加，土地容易板结，透水透气性降低，从而抑制植物生长，植被覆盖率降低，致地表径流和水土流失的可能性增加，最终破坏生态系统。

选育耐盐碱植物难在哪儿

根据联合国教科文组织和粮农组织发布的数据，在全球范围内，盐碱地总面积为9.5438亿公顷，其中盐地大约占40%，碱地大约占60%。我国盐碱地大约有15亿亩，占世界盐碱地总面积的十分之一，有可利用潜能的盐碱地为5亿亩。

我国盐土主要分布在新疆、甘肃、青海、内蒙古、宁夏等省（自治区）地势低平的盆地或平原，紧随其后的是华北平原、松辽平原、大同盆地和青藏高原的一些湖盆洼地，以及滨海地区的辽东湾、渤海湾、莱州湾、海州湾、杭州湾等。而碱土常与盐土或其他土壤组合分布，从最北的内蒙古呼伦贝尔高原栗钙土区一直到长江以北的黄淮海平原潮土区，从东北松嫩平原草甸土到山西大同、阳高盆地、内蒙古河套平原、新疆的准噶尔盆地，均有局部分布。

研究盐碱地，是全世界范围内的一个重要课题。一些国家从20世纪初便开始关注盐碱地，近年来对改良盐碱土的研究主要集中在盐碱土的地域分布、形成过程和化学性质等方面。

我国的土壤改良在古代农书《禹贡》中就有记载，例如古时有起盐搬家、耕翻晒堡、围捻整平、蓄淡压碱、冲沟播种、抗盐栽培、增施有机肥料以及种植耐盐作物等。从20世纪50年代开始，我国开始探索盐碱地治理的技术模式，主要措施有以下3种：

一是物理改良措施，主要通过平整土地、地表覆盖以及耕作措施等方法改善土壤结构，增强土壤渗透性、减少蒸发，提高土壤盐分淋洗效率，淡水淋洗土壤后，经过排水措施把盐分排出土体。但这种改良措施工程量大、费用高，经济成本不合算，制约了其推广应用。

二是化学改良措施，是指向土壤中加入化学物质如石膏、磷石膏、脱硫石膏、硫磺、腐殖酸、糠醛渣等物质，以达到降低土壤pH值、碱化度以及改善土壤结构的目的。大量的研究实践证明，在重度盐碱地上，采用化学改良与其他改良措施相结合的方法，能取得显著的改良效果，但长此以往会破坏生态环境。

三是生物改良措施，通过引种、筛选和种植耐盐植物来改善土壤物理、化学性质和土壤小气候，从而达到减少土壤水分的蒸发和抑制土壤返盐的目的。有些改良植物自身具有良好的耐盐性能，在盐碱地生长后地上部分收获可带走土壤中的部分盐分，起到改良土壤的作用。这种改造方法固然时间成本比较大，但是符合我国保护生态环境的基本方针。

现在，我国治理盐碱地的理念已从“治理”向“适应”转变，即从“治理盐碱地适应植物”向“选育耐盐碱植物适应盐碱地”转变。

目前，全球在植物耐盐研究方面的方法较为成熟且研究力量集中，已取得不少成果，但对于植物（作物）耐碱机制仍了解较少。相对来说，碱地对植物生长发育有更多的负面影响，因为中性盐地对植物主要具有离子毒性和渗透毒害，而碱地不但会严重降低植物对营养物质的吸收，还会诱导更高的氧化应激反应。

既然如此，为什么耐碱相关研究基础又比较薄弱呢？其中一个重要原因是碱化土壤主要由Na2CO3（碳酸钠）或NaHCO3（碳酸氢钠）等引起，pH值比较高。过去的研究方法主要是利用Na2CO3或NaHCO3来调节实验系统碱度，在实验过程中pH值变化大且不稳定（如温度升高时会使碳酸氢钠分解形成二氧化碳），导致实验重复难度高。另一个原因是，选育耐盐碱植物是个大难题，很多研究常规使用的材料，如水稻、玉米等，其起源地或种植地并不具备盐碱地条件，筛选到关键基因自然也很难。

高粱帮忙找到耐碱基因

日前，中国科学家关于“首次发现主效耐碱基因AT1”的研究发表在世界顶尖学术期刊《科学》杂志上，引起广泛关注。该成果得到了《科学》杂志审稿人的高度评价，被称为是“科学界的重大发现”“农业生产方面的重大突破”。

这项研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队与华中农业大学欧阳亦聃团队，联合多家科研机构、高校、企业协同攻关，以耐盐碱作物高粱为材料，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。

大田实验证明，通过基因编辑技术敲除AT1基因，可显著提升高粱、水稻、玉米和谷子等作物在盐碱地上的产量和生物量，在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景。这意味着，中国科学家找到了通往盐碱地丰收的钥匙，有望大幅提高盐碱地作物的产量。

植物的耐碱性研究是个重大科学问题，这次中国科学家迈出了重要一步。中国科研团队寻找耐盐碱基因的研究持续了很多年，也找过许多种不同植物的耐盐碱基因，可是效果都不尽如人意。曾在盐碱地上培育出“中科甜438”“中科甜968”等6个国家登记甜高粱品种的谢旗团队，将突破点放在了具备高耐盐性、高生物量、高蛋白含量等特征的高粱上。

高粱是短日照植物，是光合速率最高的作物之一，其光能利用率是小麦、大豆、甜菜的2-3倍，具有较高的生物学产量，有“高能作物”之称。甜高粱为杂交品种，汁多味甜，起源于非洲中部的萨赫勒地区，具有很强的抗逆境能力，不仅适合在水资源短缺的干旱和半干旱地区种植，还适合在盐碱地、沙化地等边际性土地种植，是满足现代作物育种需求、确保气候变化下粮食安全的理想抗逆植物资源。

谢旗团队收集了全球各地352种不同品系的高粱，分析它们对盐碱的耐受程度，采用混合碱（NaHCO3:Na2CO3=5:1）的pH体系来筛选，有效解决了前文所说的NaHCO3易分解的问题，使实验能够稳定进行。通过全基因组关联分析技术，研究人员定位克隆到一个与高粱耐碱性显著相关的基因位点，命名为AT1。他们发现，将该基因从高粱中提取出来再转到高粱中，高粱耐盐碱能力减弱；而将该基因进行“剪切”后，高粱的耐盐碱能力增强，这说明AT1在高粱碱胁迫的响应过程中起负调控作用，也就是说，缺失了AT1这个基因的高粱更耐碱。

这个发现令研究团队十分兴奋，如果高粱有这个基因，那么其他作物是否也会有类似的基因？

谢旗研究员和研究水稻的李家洋院士偶然谈起AT1基因的研究时惊讶地发现，水稻研究者早已在利用这个基因的同源体（指不同的基因序列与功能相似）——影响稻米粒长的粒形调控基因GS3，开展育种改良。

合作团队马上在实验室里进行了GS3基因的耐碱性研究，结果发现，缺失了GS3基因的水稻也更耐碱。这意味着，这个机制在水稻、玉米等禾本科作物中是通用的，这是基础科学的重大发现。

在pH值为9.10的宁夏平罗盐碱地进行的大田实验表明，AT1基因改造能够使高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%。随后，团队将AT1/GS3基因用于改良主要禾本科作物——水稻、玉米和谷子等的耐盐碱性。在pH值为9.17的吉林大安盐碱地，水稻年增产22.4%-27.8%；在宁夏平罗盐碱地（pH值为9.10），谷子增产近19.5%。科研人员还发现，改造这一基因能显著增强玉米在盐碱地中的存活率。

耐盐碱基因应用前景广阔

2021年10月，**来到黄河三角洲农业高新技术产业示范区考察调研，了解盐碱地生态保护和综合利用、耐盐碱植物育种和推广情况，并指出：“18亿亩耕地红线要守住，5亿亩盐碱地也要充分开发利用。如果耐盐碱作物发展起来，对保障中国粮仓、中国饭碗将起到重要作用。”

我国粮食主产区主要集中在以下区域：1.黄淮海平原，包括河南、安徽、江苏、山东、河北等省区，是我国重要的粮食生产基地；2.长江流域，包括江苏、安徽、湖南、湖北、四川等省区，是我国重要的稻米生产区和小麦、油菜籽等粮油作物的主产区之一；3.辽河流域，包括辽宁、吉林、黑龙江等省区，是我国东北粮食生产的重要区域；4.西南地区，包括云南、贵州、四川等省区，是我国主要的稻米和小麦生产区之一；5.西北地区，包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆等省区，是我国主要的小麦和玉米生产区。

而我国盐碱地大多分布在东北、华北、西北及滨海地区，与我国粮食主产区高度重合。其中，黄淮海平原历史上是我国盐碱地的重灾区，特别是地处河北邯郸市东北部太行山东麓海河平原的曲周县，更是有名的“老碱窝”。有资料显示，1972年，曲周县张庄村粮食亩产量只有79公斤（正常亩产量在400-500公斤），严重限制了农业生产。

盐碱地是我国重要的后备耕地资源，挖掘盐碱地潜力，开展盐碱地综合利用，是确保我国18亿亩耕地红线的重要途径之一。研究者认为，此次发现的AT1基因在提高作物耐盐碱性方面有巨大的应用前景，有望在推进我国粮食安全中盐碱地综合利用的国家战略方面发挥重要作用。如果在全球20%的盐碱地中利用该基因技术，将明显提高盐碱地产能，每年可为全球增产至少2.5亿吨粮食。

研究者推测，在高粱及其他农作物中，肯定不止AT1这一个与耐盐碱相关的基因，期望下一步通过基因组关联分析挖掘更多与耐盐碱相关的基因，绘制农作物耐盐碱的分子调控网络，并应用到更多盐碱地育种改良的实践中。

（图片由研究团队提供）