作者丨張晴丹
▲耐鹽的野生醋栗番茄 祝光濤供圖
▲番茄的果實選擇伴隨著其耐鹽性降低是由根系中鈉鉀離子比升高導致的。與根系鈉鉀離子比關聯的鈉鉀離子轉運體編碼基因SlHAK20中一個受馴化的變異位點介導栽培番茄耐鹽性的降低。 中國農業科學院供圖
土壤是保障糧食安全的基石。然而，近年來由於化肥農藥的過度使用等，土壤生態條件大不如前，基礎地力下降，耕地鹽鹼化問題變得尤為突出。
除了“治療”鹽鹼地，科學家也在不遺餘力地挖掘作物的耐鹽潛力。近日，中國科學院上海植物逆境生物學研究中心（以下簡稱逆境中心）研究員朱健康團隊與中國農業科學院（深圳）農業基因組研究所研究員黃三文團隊開展合作研究，找到了現代番茄已然丟失的耐鹽基因，為耐鹽作物的分子育種提供了新的技術方案。
相關研究成果近日在線發表於國際期刊《歐洲分子生物學學會雜誌》（The EMBO Journal）。
馴化中丟失祖傳技能
當前，土地鹽鹼化已經成為世界性的難題，全球鹽鹼地面積高達9.56億公頃，而我國鹽鹼地面積大、分佈極為廣泛，總面積達1億公頃左右。這讓人頭疼的鹽鹼地，實際上也是我國耕地的後備開發資源，是糧食增產的潛在保障用地。
“挖掘作物的耐鹽潛力並提高其耐鹽性是解決食物安全問題的重要途徑之一。”論文共同通訊作者黃三文在接受《中國科學報》採訪時表示，番茄是全世界產值最高的蔬菜，被稱為“世界第一大蔬菜作物”，具有重要的經濟價值。
因此，挖掘番茄的耐鹽潛力成為了他們的目標。第一步就是探究番茄到底從何而來。
“番茄起源於南美洲安第斯山地區，隨著人類遷移，番茄也從南‘闖’到北，大約到達中美洲和墨西哥一帶的時候，人類基本上就完成了對番茄的馴化，讓番茄從小果變成大果。大約在16世紀傳入歐洲後，又傳播到了世界各地。”論文並列第一作者、雲南師範大學教授祝光濤在接受《中國科學報》採訪時表示。
黃三文介紹，今天我們食用的大果栽培番茄都是由野生番茄馴化而來。在番茄的起源地，有些野生材料就在靠近海邊的地方生長，比如當地野生醋栗番茄就能夠在較高鹽脅迫環境下生長。番茄的祖先實際上是耐鹽的。
然而，在馴化和育種過程中，人類更關注番茄果實的大小，其祖傳的耐鹽技能卻逐漸丟失。現在，市面上能吃到的番茄，基本上都不再具備這個特質。
找回野生番茄的耐鹽基因意義重大。
挖掘到耐鹽關鍵基因
此前，黃三文團隊已經對不同類型的番茄進行了全基因組測序，建立了番茄種質資源信息“大寶庫”，確立了我國在番茄基因組學研究的重要地位。
“有了豐富的種質資源庫，以及豐富的野生材料，我們才有機會去挖掘存在於番茄身上的‘未知’本領。”論文第一作者、逆境中心博士王鎮向《中國科學報》介紹，他們通過對369份番茄材料進行基因組分析和表型鑑定，發現了一些有意思的現象。
“在測定這些番茄材料的根系以及地上部分的鈉、鉀離子含量時，我們發現，在野生醋栗番茄、櫻桃番茄和栽培番茄三個群體中，根中鈉、鉀離子比是逐次提高的，鈉鉀比越高抗鹽性越差。”論文共同通訊作者朱健康在接受《中國科學報》採訪時說。
通過全基因組關聯分析，他們幸運地發現了幾個比較顯著的信號位點，最強的信號出現在4號染色體的前端區域，在這個區域進行“地毯式”搜尋後，找到了一個關鍵基因SlHAK20。
“這個基因編碼一種鉀離子轉運體，我們發現該轉運體也具有鈉離子轉運活性，是一個鈉鉀離子轉運體。”王鎮介紹。
大量研究表明，適量的鉀離子是植物生長髮育所必需的礦質營養，而鈉離子則抑制植物的生長髮育。SlHAK20作為鈉鉀離子轉運體，在減少鈉離子對植物的損害方面扮演著至關重要的角色。
基因組分析表明，SlHAK20這個基因受到了強烈的馴化選擇，該基因起始密碼子對應鹼基下游第48個鹼基處的一段6個鹼基的片段缺失，導致了栽培番茄耐鹽性顯著降低。野生番茄裡，這個片段的存在能使SlHAK20轉運鈉離子的活性變強，是野生番茄耐鹽的一個重要原因。
不僅如此，“我們還發現，SlHAK20這個基因具有廣譜性。以水稻為例，敲除水稻中SlHAK20的兩個同源基因OsHAK4和OsHAK17，也會導致水稻對鹽脅迫敏感。”朱健康表示，這就意味著，在單、雙子葉作物中SlHAK20同源基因應答鹽脅迫的功能是保守的，具體的分子機制還有待深入研究。
品種選育上實現升級
有了SlHAK20基因這把“鑰匙”，科研人員可以解鎖很多番茄的“打開方式”。
“我國耕地面積比較緊張。為了高效利用鹽鹼地，在品種選育上，我們可以實現品種升級，有目的地培育出一些有一定抗鹽特性的番茄，這樣對農業耕地的再利用可以發揮重要的支撐作用。”祝光濤說。
比如，我國東部沿海地區人口密度大、土地供應緊張，這些地區擁有大面積的濱海鹽鹼地，可以“變廢為寶”，讓鹽鹼地和番茄碰撞出“火花”，實現應有的價值。
是不是其他作物也可以通過這種方式來改變其耐鹽品質，這也是一個研究重點。
“在篩選大果的過程中，耐鹽基因丟失了，接下來我們要對番茄選育進行‘優化’，讓番茄既保留大果的‘優勢’，又兼具耐鹽特性。”朱健康表示，目前相關研究工作正在開展。
相關論文信息：https://doi.org/10.15252/embj.2019103256
《中國科學報》 (2020-03-24 第3版 農業科技)
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