澳學(xué)者培育出新雜交小麥 可在鹽堿地正常生長(zhǎng)

對(duì)于一個(gè)生活在大城市里，并且從不擔(dān)心晚上吃不到飯的人來說，糧食危機(jī)可能是一個(gè)遙遠(yuǎn)的詞匯。但事實(shí)上，這顆星球的糧食危機(jī)已經(jīng)近在眼前。按照世界人口的增長(zhǎng)速度，預(yù)計(jì)到2050年，人類需要的糧食會(huì)是目前糧食需求量的兩倍左右。而另一方面，隨著城市化的進(jìn)程，耕地的面積卻很難增加那么多，耕地質(zhì)量反而很可能還會(huì)有所下降。所以，改良糧食作物的生物性質(zhì)，提高作物的產(chǎn)量成為戰(zhàn)勝糧食危機(jī)zui有效的方法之一。

土地質(zhì)量下降的原因有多種多樣，其中，土地的鹽化成為了威脅糧食產(chǎn)量的重要原因之一。海水的入侵和雨水的淋溶作用都會(huì)鹽化土地。有20%左右的農(nóng)耕土地鹽度過高，造成了嚴(yán)重的減產(chǎn)。

如同我們吃鹽太多會(huì)覺得口渴一樣，植物攝入過多的鹽分也會(huì)“感覺”不適。以小麥為例，當(dāng)土壤中的氯化鈉達(dá)到一定的濃度以后，小麥的產(chǎn)量就會(huì)下降；如果氯化鈉的濃度進(jìn)一步上升，小麥植株甚至?xí)谑斋@季節(jié)到來之前死亡。

古老的抗鹽基因小麥的根系從土壤中吸收水分，同時(shí)讓水分從葉片表面蒸發(fā)。這樣，水就在植物中形成一股下進(jìn)上出的連續(xù)流。不過，隨著水分進(jìn)入小麥植株的鹽分卻不能蒸發(fā)，只能留在葉片里，并開始慢慢積累起來。這些多余的鹽會(huì)讓細(xì)胞中一些必要的酶逐漸失去活性，甚至還會(huì)讓細(xì)胞脫水。因?yàn)槔先~片比嫩葉片中積累的鹽要多一些，所以老葉片更易受鹽分所累，很容易死亡脫落。當(dāng)過多的葉片失去光合作用的能力，作物的減產(chǎn)也就不難理解了。

不過，也不是所有的植物都像農(nóng)田中的小麥那么脆弱，甚至連這些小麥的祖先對(duì)鹽的忍耐能力也要強(qiáng)悍得多。1萬年前，當(dāng)人類剛剛在中東的兩河流域定居下來，并開始發(fā)展農(nóng)業(yè)的時(shí)候，種植的小麥品種叫做一粒小麥。1991年出土的木乃伊冰人奧茨的腸道中就發(fā)現(xiàn)了加工過的一粒小麥。格里漢姆和他的同事們發(fā)現(xiàn)，在一粒小麥體內(nèi)，存在一個(gè)叫TmHKT1;5-A的基因。這個(gè)基因也許是讓一粒小麥可以忍耐高鹽土壤的關(guān)鍵。遺憾的是，隨著人類育種的過程，這個(gè)可以賦予小麥抗鹽天分的基因也逐漸消失在歷史長(zhǎng)河中了。

格里漢姆教授的計(jì)劃是，首先弄清楚這個(gè)抗鹽基因的工作原理，然后再想辦法讓現(xiàn)代小麥也擁有這個(gè)基因，提高鹽度較高的耕地上的產(chǎn)量。為什么擁有了這個(gè)基因的小麥就有了抗鹽的能力了呢？科學(xué)家用了一種很聰明的辦法。他們把編碼這個(gè)基因的核酸注射到非洲爪蟾的卵子里。選擇非洲爪蟾的卵子的原因是它的體積很大，肉眼也可以看見，所以很方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。結(jié)果顯示，這個(gè)抗鹽基因可以編碼一個(gè)鈉離子的通道，把卵細(xì)胞外的鈉離子運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞里面。

這樣的結(jié)果看起來十分奇怪，因?yàn)榘凑罩庇X來說，幫助植物抵抗過多鹽分的基因應(yīng)該讓細(xì)胞排出鈉離子才對(duì)，為什么反而會(huì)讓細(xì)胞“吃”進(jìn)更多的鹽呢？原來，在可以抗鹽的一粒小麥體內(nèi)，并不是所有的細(xì)胞都表達(dá)這個(gè)抗鹽基因。相反的是，只有在運(yùn)輸水分的導(dǎo)管周圍，抗鹽基因才發(fā)揮作用。當(dāng)小麥的根部吸收水分以后，要通過導(dǎo)管才能到達(dá)葉片，如果導(dǎo)管周圍的細(xì)胞都具有“吸鹽”的能力，就相當(dāng)于給導(dǎo)管安裝上了一圈“排鹽器”。就這樣，從根部吸收的水分就會(huì)在運(yùn)輸?shù)耐局袚p失相當(dāng)多的鹽分。而一粒小麥就是通過這種方法，讓到達(dá)葉片的水分中的鹽濃度降到了一個(gè)安全的程度。這就是這種遠(yuǎn)古小麥可以在鹽地上生長(zhǎng)的秘訣。

既然鑒定出了可以抗鹽的基因，并且弄清楚了這個(gè)基因工作的原理，剩下來的就是一些技術(shù)性的工作了。格里漢姆和他的研究團(tuán)隊(duì)利用雜交育種的方法，把一粒小麥中的抗鹽基因TmHKT1;5-A引入到了歐洲農(nóng)田里常見的硬粒小麥當(dāng)中。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬粒小麥獲得了這個(gè)抗鹽基因以后，葉片中的鹽含量只有普通硬粒小麥的四分之一到十二分之一。

雜交小麥的未來在過去幾年，很多植物育種學(xué)家也在嘗試改良小麥品種，增加耐鹽的能力。不過，相關(guān)的研究還沒有走出實(shí)驗(yàn)室。然而，僅僅在實(shí)驗(yàn)室取得成功是不夠的，新培育出的小麥品種還必須經(jīng)過實(shí)際耕地種植的考驗(yàn)才行。這也是格里漢姆這次研究重要的地方。因?yàn)樗难芯繄F(tuán)隊(duì)培育出的新品種雜交抗鹽小麥在實(shí)際的耕地中也取得了良好的結(jié)果。在澳大利亞各地進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，這種新品種的抗鹽小麥確實(shí)可能提高產(chǎn)量。在鹽地上，新品種雜交小麥的產(chǎn)量比一般小麥提高了zui多25%，而且，在普通耕地上，這種雜交小麥也不會(huì)降低產(chǎn)量，換句話說，引入抗鹽基因并沒有給小麥帶來額外的負(fù)擔(dān)。

在這項(xiàng)研究中，格里漢姆和他的同事們用的是四倍體硬粒小麥作為材料，培育出的新品種雜交小麥也是硬粒小麥。硬粒小麥在歐洲和美洲很常見。這種小麥顆粒的蛋白質(zhì)含量很高，比較“硬”，是意大利面和通心粉的主要材料。而包括中國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家種植的小麥以六倍體的普通小麥為主，這種小麥磨出來的面粉可以用來制作饅頭和餃子等面食。因此，如果在六倍體普通小麥上也能引入抗鹽基因，將會(huì)更好地幫助發(fā)展中國(guó)家提升糧食產(chǎn)量，也就能更有效地緩解饑餓問題。

在接受采訪時(shí)，格里漢姆表示，他們現(xiàn)在已經(jīng)通過雜交育種技術(shù)，成功地把抗鹽基因轉(zhuǎn)入到了六倍體普通小麥中。這種攜帶新基因的六倍體雜交小麥品種的葉片也可以被很好地保護(hù)，不會(huì)被高鹽分的土壤所傷，從而讓整個(gè)植株具備了抗鹽的能力。不過，雜交六倍體普通小麥的田間試驗(yàn)仍在進(jìn)行中，以檢驗(yàn)這種新的抗鹽六倍體雜交小麥?zhǔn)欠裾娴目梢蕴岣弋a(chǎn)量。

這項(xiàng)研究不僅培育出了新的作物品種，還再一次說明那些人類作物的野生近親很可能是一座基因的寶庫(kù)。在漫長(zhǎng)的育種過程中，人類的作物丟失了很多基因，對(duì)環(huán)境壓力的抗性也越來越差。而試著從這些作物的野生對(duì)應(yīng)種里找回那些失去的基因，不失為一種可行的育種辦法。