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标题: 澳植物学家培育出能在盐碱地生存的杂交小麦 [打印本页]

作者: 老叟 时间: 2012-5-26 12:24 标题: 澳植物学家培育出能在盐碱地生存的杂交小麦

今年3月，澳大利亚的植物学家马修·格里汉姆（Matthew Gilliham）和他的同事们在《自然·生物技术》杂志上发表了一篇论文，宣布培育出一种可以在盐地上正常生长的杂交小麦。土地盐化一直是粮食危机的原因之一，这种小麦也给粮食种植业带了新曙光。
对于一个生活在大城市里，并且从不担心晚上吃不到饭的人来说，粮食危机可能是一个遥远的词汇。但事实上，这颗星球的粮食危机已经近在眼前。按照世界人口的增长速度，预计到2050年，人类需要的粮食会是目前粮食需求量的两倍左右。而另一方面，随着城市化的进程，耕地的面积却很难增加那么多，耕地质量反而很可能还会有所下降。所以，改良粮食作物的生物性质，提高作物的产量成为战胜粮食危机最有效的方法之一。
土地质量下降的原因有多种多样，其中，土地的盐化成为了威胁粮食产量的重要原因之一。海水的入侵和雨水的淋溶作用都会盐化土地。全球有20%左右的农耕土地盐度过高，造成了严重的减产。
如同我们吃盐太多会觉得口渴一样，植物摄入过多的盐分也会“感觉”不适。以小麦为例，当土壤中的氯化钠达到一定的浓度以后，小麦的产量就会下降；如果氯化钠的浓度进一步上升，小麦植株甚至会在收获季节到来之前死亡。
古老的抗盐基因小麦的根系从土壤中吸收水分，同时让水分从叶片表面蒸发。这样，水就在植物中形成一股下进上出的连续流。不过，随着水分进入小麦植株的盐分却不能蒸发，只能留在叶片里，并开始慢慢积累起来。这些多余的盐会让细胞中一些必要的酶逐渐失去活性，甚至还会让细胞脱水。因为老叶片比嫩叶片中积累的盐要多一些，所以老叶片更易受盐分所累，很容易死亡脱落。当过多的叶片失去光合作用的能力，作物的减产也就不难理解了。
不过，也不是所有的植物都像农田中的小麦那么脆弱，甚至连这些小麦的祖先对盐的忍耐能力也要强悍得多。1万年前，当人类刚刚在中东的两河流域定居下来，并开始发展农业的时候，种植的小麦品种叫做一粒小麦。1991年出土的著名木乃伊冰人奥茨的肠道中就发现了加工过的一粒小麦。格里汉姆和他的同事们发现，在一粒小麦体内，存在一个叫TmHKT1;5-A的基因。这个基因也许是让一粒小麦可以忍耐高盐土壤的关键。遗憾的是，随着人类育种的过程，这个可以赋予小麦抗盐天分的基因也逐渐消失在历史长河中了。
格里汉姆教授的计划是，首先弄清楚这个抗盐基因的工作原理，然后再想办法让现代小麦也拥有这个基因，提高盐度较高的耕地上的产量。为什么拥有了这个基因的小麦就有了抗盐的能力了呢？科学家用了一种很聪明的办法。他们把编码这个基因的核酸注射到非洲爪蟾的卵子里。选择非洲爪蟾的卵子的原因是它的体积很大，肉眼也可以看见，所以很方便进行实验操作。结果显示，这个抗盐基因可以编码一个钠离子的通道，把卵细胞外的钠离子运输到细胞里面。
这样的结果看起来十分奇怪，因为按照直觉来说，帮助植物抵抗过多盐分的基因应该让细胞排出钠离子才对，为什么反而会让细胞“吃”进更多的盐呢？原来，在可以抗盐的一粒小麦体内，并不是所有的细胞都表达这个抗盐基因。相反的是，只有在运输水分的导管周围，抗盐基因才发挥作用。当小麦的根部吸收水分以后，要通过导管才能到达叶片，如果导管周围的细胞都具有“吸盐”的能力，就相当于给导管安装上了一圈“排盐器”。就这样，从根部吸收的水分就会在运输的途中损失相当多的盐分。而一粒小麦就是通过这种方法，让到达叶片的水分中的盐浓度降到了一个安全的程度。这就是这种远古小麦可以在盐地上生长的秘诀。
既然鉴定出了可以抗盐的基因，并且弄清楚了这个基因工作的原理，剩下来的就是一些技术性的工作了。格里汉姆和他的研究团队利用杂交育种的方法，把一粒小麦中的抗盐基因TmHKT1;5-A引入到了欧洲农田里常见的硬粒小麦当中。研究发现，当硬粒小麦获得了这个抗盐基因以后，叶片中的盐含量只有普通硬粒小麦的四分之一到十二分之一。
杂交小麦的未来在过去几年，很多植物育种学家也在尝试改良小麦品种，增加耐盐的能力。不过，相关的研究还没有走出实验室。然而，仅仅在实验室取得成功是不够的，新培育出的小麦品种还必须经过实际耕地种植的考验才行。这也是格里汉姆这次研究重要的地方。因为他的研究团队培育出的新品种杂交抗盐小麦在实际的耕地中也取得了良好的结果。在澳大利亚各地进行的田间试验表明，这种新品种的抗盐小麦确实可能提高产量。在盐地上，新品种杂交小麦的产量比一般小麦提高了最多25%，而且，在普通耕地上，这种杂交小麦也不会降低产量，换句话说，引入抗盐基因并没有给小麦带来额外的负担。
在这项研究中，格里汉姆和他的同事们用的是四倍体硬粒小麦作为材料，培育出的新品种杂交小麦也是硬粒小麦。硬粒小麦在欧洲和美洲很常见。这种小麦颗粒的蛋白质含量很高，比较“硬”，是意大利面和通心粉的主要材料。而包括中国在内的发展中国家种植的小麦以六倍体的普通小麦为主，这种小麦磨出来的面粉可以用来制作馒头和饺子等面食。因此，如果在六倍体普通小麦上也能引入抗盐基因，将会更好地帮助发展中国家提升粮食产量，也就能更有效地缓解全球饥饿问题。
在接受采访时，格里汉姆表示，他们现在已经通过杂交育种技术，成功地把抗盐基因转入到了六倍体普通小麦中。这种携带新基因的六倍体杂交小麦品种的叶片也可以被很好地保护，不会被高盐分的土壤所伤，从而让整个植株具备了抗盐的能力。不过，杂交六倍体普通小麦的田间试验仍在进行中，以检验这种新的抗盐六倍体杂交小麦是否真的可以提高产量。
这项研究不仅培育出了新的作物品种，还再一次说明那些人类作物的野生近亲很可能是一座基因的宝库。在漫长的育种过程中，人类的作物丢失了很多基因，对环境压力的抗性也越来越差。而试着从这些作物的野生对应种里找回那些失去的优秀基因，不失为一种可行的育种办法。

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