转基因苜蓿、盐生植物等新沙漠植物让荒漠不再是“死海”

采用多基因聚合手段将上述抗旱功能基因成功导入紫花苜蓿,获得了抗旱、耐盐碱和耐贫瘠能力显著增强的转基因紫花苜蓿新品...
  • 2021
  • 05/30
  • 16:46
  • 农库
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近年来,我省生态环境总体上呈现出不断恶化的发展态势,干旱和土壤盐碱化问题十分突出,由此造成的撂荒土地正在逐年增加。因此,培育能够在干旱、盐碱化和贫瘠的撂荒地上栽培新的牧草品种已成为当前我省生态环境建设和农牧业可持续发展的重大需求。日前,记者从兰州大学草地农业科技学院了解到,该院研究团队采用多基因聚合手段将上述抗旱功能基因成功导入紫花苜蓿,获得了抗旱、耐盐碱和耐贫瘠能力显著增强的转基因紫花苜蓿新品系,这种牧草的出现和推广,将从根本上解决目前困扰我省乃至西北地区紫花苜蓿栽培中的土地供需矛盾,对改良与利用大面积盐荒地、改善我省生态环境以及促进农牧业可持续发展具有重要的现实意义。除此之外,他们还培育出了可以“吃掉”盐分使盐碱地恢复土壤能力的改良植物。这两种植物若能推广,荒漠将不会再是“死亡之海”。


新牧草源自沙漠植物



新品紫花苜蓿

研究员研究新品紫花苜蓿


沙漠植物


紫花苜蓿是一种优良的豆科牧草,在我省乃至西北干旱半干旱地区农牧业生产和生态环境建设中发挥着极其重要的作用。近年来,在国家西部大开发战略的推动下,我省紫花苜蓿种植面积不断增加,为农牧民带来了可观的收入。然而其自身的抗旱和耐盐碱能力十分有限,只有种植在水肥条件良好的耕地上才能实现高产,造成粮草争夺有限耕地资源的矛盾日益突出,既制约了我省紫花苜蓿种植面积的进一步扩大,也对我省农业发展带来不利影响。因此急需研制出一种具有更高抗逆性(抗旱、耐盐碱和耐贫瘠)的新品种,来改善这种窘境。


地处我省西北荒漠区东翼的河西走廊及阿拉善荒漠,是古地中海残遗物种最集中的分布区,成为荒漠物种多样性和特有性的中心,区内广为分布的荒漠旱生植物在漫长进化过程中形成的特殊抗逆机制及蕴含的丰富抗逆基因资源,对长期在较优裕条件下栽培种植、抗逆潜力十分有限的农作物和优良牧草抗逆性的遗传改良具有重要的理论及应用价值。因此,兰大草地农业科技学院的研究团队,多年来经常深入该处对其中生长的植物进行研究,希望寻找出一种拥有更好抗逆性的植物,为紫花苜蓿提供好的基因。


直到1998年的一次科考,他们才找到了这种植物。霸王是一种在西北荒漠区生长的旱生植物,具有顽强的生命力。当年,兰大草地农业科技学院副院长、科研团队的带头人王锁民教授及其同事在内蒙古阿拉善地区考察时注意到:尽管沙漠里极其干旱,沙土中营养元素严重亏缺,且不时有干热风吹袭、动物啃食,但霸王长势却很好。“当时,我们看到万里无边的沙海中矗立着一株霸王,虽然它的根系都已经暴露在地面以上,但是叶子还是生长的郁郁葱葱,而且周围没有其他植物。这说明这种植物的抗逆性应该是整片沙漠中最好的,因此当时我们就想能不能把霸王中的耐旱基因提取出来,注入到牧草中,获得一种抗逆性更好的牧草。”王锁民说。


回到兰州后,王锁民及其科研团队对这一现象展开了深入研究,发现霸王适应干旱瘠薄环境的最有效策略是大量吸收并积累钠,而不是像多数栽培作物一样拒排钠。紫花苜蓿虽被誉为“牧草之王”,但其抗旱、抗盐和耐瘠薄能力不强,紫花苜蓿只有种植在水肥条件较好的庄稼地里,才能获得理想的产量,从而造成了粮草争地的局面,而大量荒漠化、盐渍化等撂荒土地却不能得到有效利用。


大沙漠上的基因提供者霸王

大沙漠上的基因提供者霸王


“转入霸王抗旱功能基因,好比给紫花苜蓿换了一个心脏,让其更好地适应干旱、盐碱化和贫瘠的土壤。”王锁民说,“实验表明,与普通紫花苜蓿品种相比,这一转基因新品系在重度盐碱化条件下也能生长良好,如遇严重干旱也能够存活,一旦有水,就能很快恢复生长。”


找到了要把霸王和紫花苜蓿结合起来的切入点,科研团队开始了攻坚研究。在该院南志标院士为首席科学家的我国第一个牧草学国家973项目“中国西部牧草、乡土草遗传及选育的基础研究”的支持下,王锁民教授率领的科研团队对霸王和梭梭等多浆旱生植物的抗旱机制进行了深入系统的研究,从霸王中成功克隆并鉴定得到具有自主知识产权的抗旱功能基因。随后,在甘肃省农业生物技术研究与应用开发项目“聚合荒漠植物抗旱功能基因的高产抗逆紫花苜蓿新品种(系)开发”的进一步支持下,该研究团队采用多基因聚合手段将上述抗旱功能基因成功导入紫花苜蓿,获得了抗旱、耐盐碱和耐贫瘠能力显著增强的转基因紫花苜蓿新品系。这一过程,从1998年第一次萌生研究新紫花苜蓿的念头到2011成功总共花费了13年的时间。“当年刚开始研究时不少人还是年轻小伙子,研究成功以后,他们都变成了中年人。”王锁民笑着对记者说。


王锁民教授告诉记者,该转基因紫花苜蓿新品系日前已被科技部批准进行田间中试验,并开始在我省的部分荒漠地区开始试种。是迄今为止我省首个获准进行中间试验的转基因牧草品系,标志着此项转基因育种工作已进入到具有实践意义的重要研究阶段。据他介绍,该转基因紫花苜蓿品系一旦育成新品种并进行大面积推广,将起到“一举两得”的作用,从根本上解决目前困扰我省乃至西北地区紫花苜蓿栽培中的土地供需矛盾,对改良与利用大面积盐荒地、改善我省生态环境以及促进农牧业可持续发展具有重要的现实意义。


20余年搞清盐生植物的抗盐机理


只研究抗旱、耐盐碱和耐贫瘠能力的新牧草是治标之举,只有真正解决土地的盐碱问题才是真正的之本。于是研究盐生植物,变成了整治荒漠化最热的研究方向。但是盐生植物在漫长进化过程中,形成了许许多多不同的类型,其抗盐机制也不尽相同,甚至相去甚远。因此,建立一套简便、准确的分类体系,以便能够精确鉴别抗盐植物类型及评价植物抗盐能力是盐渍区植物的筛选引种、抗盐机理研究及抗盐性育种的关键。


我国是土壤盐碱化最严重的国家之一。盐渍化土地超过1亿公顷,约占全球盐碱地面积的10%,对国家生态环境安全、农牧业生产以及社会经济可持续发展构成了极大威胁。我国盐碱化土壤主要分布在北方地区,特别是甘肃省河西走廊等重要粮食产区,因灌溉引起的土壤次生盐渍化问题尤为突出。传统的栽培作物由于长期生长在良好的环境下,抗逆性普遍不强,因而盐害往往导致农牧业生产严重受损。在我国西北荒漠区盐碱化土壤中生存的盐生植物经过长期演化,对盐渍环境有很强的适应能力,不仅是区域经济发展的重要生态屏障,也是极为珍稀的种质资源库,蕴藏着丰富的抗逆基因资源。因而,对盐生植物适应逆境的机理进行深入系统研究,对我国荒漠区生态环境的恢复重建、盐渍化土壤的改良与利用及农作物和优良牧草抗逆性的遗传改良具有重大的理论与现实意义。


近50年来,国内外众多知名实验室就这一重要问题开展了大量的研究工作,建立了很多分类体系,然而这些体系大多依靠形态解剖观察定性辨别盐生植物类型,不仅程序繁琐,而且无法从生理机制上准确界定抗盐植物的归属,缺乏量化的评价指标。


为了探明长期适应盐渍环境的盐生植物的抗盐机理,为我国盐碱化治理和农牧业生产提供科技支撑,兰州大学草地农业科技的科研团队在我国西北盐碱化荒漠区开展了艰苦卓绝的系统研究。经过20余年沙漠—实验室—沙漠间的研究,他们终于发现了改变植物的生物机理,从植物根系—土壤界面及植株根—茎—叶(穗)不同部位之间相互关联的整体与宏观角度去认识器官、亚器官水平上的生理生化变化,创新性地提出了定量计算钾、钠选择性吸收和运输能力的公式,并据此构建了区分抗盐植物类型的生理指标体系。该体系快捷简便,能客观准确地对植物不同品种的抗盐能力及抗盐植物类型进行定量评估,在抗盐植物分类、植物抗盐机理以及抗盐性育种等方面具有重要的理论和应用价值。


让“吃盐”植物改良盐碱地


和人一样,植物有不爱“吃盐”的,也有“嗜盐如命”者。破解其中的秘密,让瘠薄盐碱地和荒漠草原里的植物“口味”变重,“吃掉”多余的盐分,或者干脆不“吃盐”,就有望改良和利用河西走廊地区以及内蒙古草原等处大面积盐渍化土壤,尽快恢复生态环境。这正是兰大草科院科研团队的研究项目“荒漠草原典型盐生植物适应逆境的机理研究”要达到的效果。


该成果获得2011年甘肃省自然科学一等奖。


钠离子被认为是土壤盐碱化对植物造成伤害的最主要原因,通过控制钠进入植物体内是解决这一问题的关键。因此长期以来学术界对两个问题十分关注:一是钠离子进入植物体内的途径,二是植物自身阻止钠进入其体内的手段。以往,国际上研究植物抗盐机理大多采用自身“拒盐”的植物。因这些植物本身不吸收盐,探寻“盐怎么进入植物体内”的生理机制始终是国际性难题。


“上世纪90年代初,我参加了任继周院士领衔的河西走廊荒漠绿洲交错区草地培育优化生态模式研究项目。在临泽试验站开荒时发现,需要人工播种拒盐小花碱茅的新垦地上,会自然生长出郁郁葱葱的草地。”想起当年在盐碱地上发现盐地碱蓬时的情景,王锁民眼里依然透着兴奋。


这是世界上首次发现喜盐植物的钠吸收途径。在漫长的研究过程中,王锁民团队利用钠离子放射性同位素标记位置,发现植物根部“吃”入的盐都积攒在枝、叶细胞的液泡中。“非常有趣,当外界盐浓度不同时,根系吃盐的蛋白也不同,盐浓度低的时候用转运蛋白,高的时候用通道蛋白。”王锁民说。他们发现,植物喜盐是一种生理需要,“吃饱”了盐,就可以从周围的盐碱化土壤里吸收更多的水分。同时,还证实了牧草小花碱茅抗盐机理是根部加厚的内皮层钠限制,从而吸收大量生长所需的钾。在任继周院士草地系统学观点指导下,王锁民团队成功构建了定量鉴别抗盐植物类型的生理指标体系。研究成果修正了国际学术界关于高等植物钠吸收机制的观点,得到国家863计划、自然科学基金、重大基础研究专项的资助。


“沙漠含盐量仅为盐碱地的1/66。在阿拉善发现了含盐量相当于盐地碱蓬的霸王和白刺,而梭梭体内含盐量更是两倍于霸王。”后续研究时,王锁民团队在阿拉善沙漠瀚海里的发现令他们异常欣喜,证实梭梭和霸王由含盐量很低的沙土中主动吸收盐,盐是植物生长不可或缺的。


以此为基础,王锁民团队成功研制了一种钠复合肥,可以促进梭梭、白刺、霸王和红砂等旱生植物的生长。“施了钠复合肥的梭梭,浇水减了两次,但长势更好,移栽成活率提高一倍”。据了解,在阿拉善右旗造林过程中,一年少浇一次水就意味着为国家节省400万元。


目前,王锁民团队的研究仍在紧锣密鼓地进行中,不断发现的成果必将对荒漠区生态环境恢复重建、盐渍化土壤改良利用、农作物抗盐性能改良产生积极而深远的影响。


原题:甘肃科学家研究新沙漠植物 荒漠不再是“死海”

来源:兰州日报  2012年09月14日


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