番茄耐盐基因“失而复得”

醋栗番茄朱光桃

土壤是粮食安全的基石。然而，近年来，由于化肥和农药的过量使用，土壤生态条件不如以前，土壤基本肥力下降，耕地盐碱化问题尤为突出。

除了“处理”盐碱地，科学家们还不遗余力地挖掘作物的耐盐潜力。近日，中国科学院上海植物逆境生物学研究所(以下简称“逆境中心”)的科研团队和中国农业科学院农业基因组研究所(以下简称“基因组研究所”)的科研团队黄三文进行了合作研究，寻找现代番茄中缺失的耐盐基因，为耐盐作物的分子育种提供了新的技术方案。

相关的研究结果最近发表在国际期刊《EMBO日报》的网上。

驯化过程中失去的祖传技能

目前，土地盐碱化已成为世界性问题，全球盐碱地面积达9.56亿公顷，而中国盐碱地面积大，分布广，总面积约1亿公顷。这片麻烦的盐碱地实际上是中国耕地的后备开发资源，也是增加粮食产量的潜在保障。

“开发作物的耐盐潜力，提高其耐盐性是解决食品安全问题的重要途径之一。”该论文的合著者黄三文在接受《中国科学报》采访时表示，番茄是世界上产值最高的蔬菜，被称为“世界上最大的蔬菜作物”，具有重要的经济价值。

因此，挖掘番茄的耐盐潜力成为他们的目标。这个过程的第一步需要探索西红柿来自哪里。

“西红柿起源于南美洲的安第斯山地区。随着人类的迁徙，西红柿也从南方“跑到”北方。当他们到达中美洲和墨西哥时，人类基本上完成了西红柿的驯化，把它们从小水果变成了大水果。它们在16世纪被引入欧洲后，传播到世界各地该论文的合著者、云南师范大学教授朱光涛在接受《中国科学日报》采访时表示。

黄三文说，我们今天吃的大水果西红柿都是野生西红柿驯化而来的。在西红柿的起源中，一些野生材料生长在海边。例如，当地的野生醋栗番茄可以在高盐胁迫下生长。番茄的祖先实际上是耐盐的。

然而，在驯化和繁殖过程中，人类更加注重番茄果实的大小，但他们祖先的耐盐技能却逐渐丧失。目前，市场上我们能吃的西红柿基本上不再有这个特点。

寻找野生番茄的耐盐基因具有重要意义。

耐盐关键基因被发现

在此之前，黄三文的团队已经完成了不同类型番茄的全基因组测序，建立了番茄种质资源信息的“大宝库”，确立了中国在番茄基因组学研究中的重要地位。

“有了丰富的种质资源和丰富的野生材料，我们就有机会在此基础上探索番茄中存在的‘未知’能力。”论文的第一作者，上海逆境中心的王镇博士告诉《中国科学》，他们通过对369份番茄材料的基因组分析和表型鉴定，发现了一些有趣的现象。

“在测定这些番茄材料的根和地上部分的钠和钾离子含量时，我们发现在野生醋栗番茄、樱桃番茄和栽培番茄中，根中的钠和钾离子比率逐渐增加，钠和钾比率越高，耐盐性越差。”该论文的合著者朱健康在接受《中国科学》采访时说。

通过全基因组关联研究，他们幸运地发现了几个重要的信号位点。最强的信号出现在4号染色体的前部。在该地区进行“地毯式”搜索后，他们发现了一个关键基因SlHAK20。

“这个基因编码一种已知的钾转运蛋白。我们发现这种转运蛋白也具有钠转运活性，是钠和钾的转运蛋白。”王镇介绍。

大量研究表明，适量的钾离子是植物生长发育所必需的矿质营养，而钠离子则抑制植物的生长发育。作为钠和钾离子的转运体，SlHAK20在减少钠离子对植物的伤害方面起着至关重要的作用。

基因组分析表明SlHAK20被强烈驯化和选择。该基因起始密码子下游第48个碱基的一个6碱基片段的缺失导致栽培番茄的耐盐性显著降低。在野生番茄中，这种片段的存在可以增强SlHAK20运输钠离子的活性，这是野生番茄耐盐的一个重要原因。

不仅如此，“我们还发现SlHAK20基因具有广谱性。以水稻为例，敲除水稻中SlHAK20的两个同源基因OsHAK4和OsHAK17也会导致水稻对盐胁迫敏感。”朱健康说，这意味着SlHAK20同源基因在单子叶和双子叶作物中响应盐胁迫的功能是保守的，具体的分子机制需要进一步研究。

品种育种的升级

有了SlHAK20基因的“钥匙”，研究人员可以解开许多番茄的“开启方法”。

“中国的耕地面积相对紧张。为了高效利用盐碱地，我们可以升级品种，有目的地培育一些具有一定抗盐特性的番茄，对农业耕地的再利用起到重要的支撑作用。”朱光涛说道。

例如，我国东部沿海地区人口密度大，土地供应紧张。这些地区有大片沿海盐碱地，可以“变废为宝”，让盐碱地和西红柿碰撞成“火花”，实现它们应有的价值。

此外，其他作物是否也能以这种方式改变其耐盐性也是一个研究热点。

“在筛选大型水果的过程中，耐盐基因丢失了。我们将在以下方面‘优化’番茄育种，使番茄保留大果的‘优势’，并具有耐盐特性。”朱健康表示，相关研究工作目前正在进行中。

相关论文信息:https://doi.org/10.15252/embj.2019103256