培育高产抗旱农作物　兰大新研究上分

原标题：兰州大学研究团队解析利用旱生植物抗逆基因增强紫花苜蓿抗逆性并提高其产量的作用机制

紫花苜蓿(Medicago sativa)在畜牧业生产中发挥着十分关键的作用，我国约70%的紫花苜蓿种植区分布于干旱半干旱的北方五省(区)。然而，现有大多数紫花苜蓿主栽品种的耗水量高、抗逆能力较弱，只有在具备灌溉条件的优良耕地上种植才能实现高产优质，其种植面积的扩大势必造成与粮争地、争水的现实矛盾。因此，亟待培育适宜在我国北方干旱、盐碱化及贫瘠的边际土地上种植的紫花苜蓿新品种。

兰州大学草地农业科技学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室王锁民/马清教授团队践行任继周院士倡导的“道法自然、日新又新”院训精神，长期致力于解析我国西北荒漠区乡土植物独特的逆境适应机制，并挖掘其优异抗逆基因资源用于优良牧草和农作物的遗传改良。蒺藜科多浆旱生植物霸王(Zygophyllum xanthoxylum)具有极强的抗旱、耐热、耐盐及耐土壤贫瘠的能力。该团队前期研究表明，将根系吸收的大量Na⁺转运至叶并储存于发达的液泡中作为廉价的渗透调节剂，以增强其肉质化叶片的“储水”能力是霸王适应逆境的关键机制(Ma et al. Tree Physiology, 2012, 32: 4-13)。基于此，团队成功将霸王液泡膜Na⁺ (K⁺)/H⁺逆向转运蛋白ZxNHX1和为其提供质子驱动力的ZxVP1-1编码基因聚合导入紫花苜蓿，创制出抗逆且高产的紫花苜蓿新种质(Bao et al. Plant Biotechnology Journal, 2016, 14: 964-975)。然而，霸王ZxNHX1提高植物抗逆性和产量的作用机制尚待解析。

近日，王锁民/马清教授团队在生物学期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“ZxNHX1 from a xerophyte outperforms AtNHX1 in sequestering Na⁺ into vacuoles to enhance plant stress resistance and yield”的研究论文，该研究系统揭示了霸王ZxNHX1在提高植物抗逆性和产量方面优于甜土植物拟南芥AtNHX1的节能型渗透调节机制。

图1.盐处理下转ZxNHX1和AtNHX1紫花苜蓿株系的生长表型

研究团队发现，盐胁迫下转ZxNHX1紫花苜蓿株系的长势明显优于转AtNHX1株系(图1)。利用酵母异源表达系统的分析表明，ZxNHX1具有比AtNHX1更强的Na⁺/H⁺交换活性，而AtNHX1则表现出更强的K⁺/H⁺交换活性(图2)。

图2.盐处理下转ZxNHX1和AtNHX1酵母菌株的生长表型及Na⁺、K⁺转运活性

图3.低钾条件下转ZxNHX1和AtNHX1拟南芥株系的生长表型、生物量及地上部Na⁺、K⁺含量

进一步在拟南芥atnhx1-1突变体中的分析发现，超表达ZxNHX1与AtNHX1均可回补atnhx1-1的盐敏感表型；但与转AtNHX1的株系相比，转ZxNHX1株系表现出更优的长势和更高的生物量、其体内积累了更多的Na⁺，而前者则积累了更多的K⁺，特别是在低K⁺条件下更为突出(图3)。与转AtNHX1株系将更多的K⁺区域化至液泡中不同，转ZxNHX1株系具有更强的液泡Na⁺区域化能力、使K⁺保留在细胞质中(图4)。液泡中高浓度的Na⁺和细胞质中高浓度的K⁺可作为廉价的渗透调节剂以部分替代相容性的有机溶质，从而赋予植株较强的耐盐性和更高的生物量。

图4.转ZxNHX1和AtNHX1的拟南芥株系叶细胞中的Na⁺、K⁺分布特征

研究还发现，ZxNHX1通过调节根系木质部Na⁺装载和卸载相关基因的表达，在整株水平上调控Na⁺的吸收和转运，而AtNHX1则主要影响K⁺的吸收与转运。基于上述结果，提出了盐处理下ZxNHX1与AtNHX1功能差异的模型图(图5)。此外，研究团队发现，位于ZxNHX1第八个跨膜区的苏氨酸(Thr265)是影响其Na⁺、K⁺选择性的关键氨基酸残基。

图5.ZxNHX1在提高植物抗逆性和产量方面优于AtNHX1的节能型渗透调节机制的模型图

综上，荒漠植物霸王ZxNHX1介导的Na⁺和K⁺在细胞胞质和液泡间的优化分布确保了节能型的渗透调节；其能使植物利用丰富的Na⁺作为廉价的渗透调节剂，将Na⁺的潜在毒害作用转化为促进生长的有益效应，在增强植物抗逆性和提高产量方面显著优于拟南芥AtNHX1，这为优良牧草和农作物抗逆性的遗传改良提供了优异的基因资源，并在盐碱化边际土地利用方面具有重要的应用价值。

兰州大学博士研究生刘海双和刘琴为该论文的共同第一作者，王锁民教授和马清教授为共同通讯作者。美国加州大学伯克利分校Sheng Luan (栾升)教授、加拿大卡尔顿大学Shelley R. Hepworth教授、英国苏塞克斯大学Timothy J. Flowers教授、以及兰州大学草地农业科技学院包爱科教授和尹红菊副教授等为该项工作做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和甘肃省政府国资委关键核心技术攻关项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70163

文：马清　图：刘海双

（兰州大学新闻网）

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甘肃日报：旱作技术显神威　陇东旱塬麦浪涌

　　　　　——科技赋能为黄土旱塬撑起“丰收伞”

专家组在冬小麦示范田进行观摩　本文图片均由新甘肃·甘肃日报记者冯宝强摄

工作人员正在检查植保无人机

新甘肃·甘肃日报记者　冯宝强

六月的陇东旱塬，夏收时节渐近，微风掠过镇原县田垄间，沉甸甸的麦穗翻涌着整齐的绿浪，一株株生机勃勃的冬小麦，处处彰显着科技赋能的活力。

近日，国家重点研发计划“北方旱作区中低产田土壤健康养护与产能提升协同技术与示范”项目2025年度甘肃镇原冬小麦观摩会开幕。来自省内外8家单位的近50位农业专家、企业代表齐聚于此，实地见证旱作农业领域的冬小麦韧性实践——在科技引领下，抗逆品种与抗旱栽培技术如何在大旱之年描绘出丰收画卷。

走进镇原县太平镇老庄村的千亩冬小麦示范基地，北斗导航播种留下的笔直田垄间，整齐排列的冬小麦在阳光下格外醒目，科研人员正用手持设备测量麦穗参数。一旁展示牌上铭刻着抗旱的希望：“陇鉴110”“陇鉴115”“陇育14号”……经过严苛筛选的一批抗逆品种宛如一支绿色方阵。

“今年我们集成展示了16个抗逆新品种，配套全生物降解地膜覆土穴播等技术，即便在严重大旱之年，小麦长势依然稳健，生机勃勃。大家注意看这片麦子，颗粒饱满，穗头沉，完全不像经历过大旱的样子。”省农科院樊廷录研究员指向排列整齐的试验田说，奇迹并非偶然，这里凝聚着无数科研人员智慧的结晶。

走近观察，宽幅沟播技术形成的整齐沟垄如同精心编织的“导流网”，显著提升了对自然降水的“捕捉”效率。脚下的土壤则显现出高留茬深翻还田技术与全生物降解地膜覆土穴播技术的合力。“适期晚播，加上北斗导航精准控制的播种深度与行距，为小麦生长发育奠定了坚实基础。”樊廷录强调，示范田内多项技术协同应用，水分利用效率显著提高。

农业科技的生命力在于被农民接纳和认可。在镇原县种植大户眼里，技术最吸引人的地方就是“让种地心里有谱”。

“在别处担心干旱已导致麦子严重减产的时候，我们这里的示范田却成了‘明星地’。”庆阳沃帆生态农业发展有限公司生产负责人赵百红脸上洋溢着喜悦与笃定。“这些新东西——生物降解地膜、‘北斗’导航精准播种施肥，在专家指导的‘黄金时间’播种，刚开始大家嫌复杂，现在看来太值了！种子好，技术对路，管理能跟上，收成就靠得住，心里踏实！”

如今，赵百红口中的成本收益账也日渐清晰：高效节水节肥、减少投入品损耗、降低气象风险带来的隐性收益，让新技术的价值在农民心中扎根。他感慨：“这大旱年头，麦子能长这样好，搁以前连想都不敢想！新技术管用啊！”

镇原县屯字镇马堡村的500亩冬小麦示范基地，则为“藏水于地、养土提能”提供了更丰富的答案。

在屯字镇示范田上空，一阵轻微的嗡鸣声打破了旷野的寂静。一架大型植保无人机灵巧地悬停在青青麦穗上方，喷出细腻的白色雾带——并非农药，而是富含活性的微生物菌剂。“这是提升土壤活性的‘生态处方’，在冬小麦扬花期遭遇干旱胁迫时，喷施蒸腾抑制剂能减少叶片水分散失，如同给植株加一个保水‘阀门’，”现场作业人员虎怀仁介绍，这些精心筛选的微生物菌肥，能唤醒土壤活力，帮助根系向下探寻更深处的水分与营养，是他们在极端天气下的“秘密武器”。

最让专家们目光凝聚的莫过于甘肃省农科院旱农所镇原试验站。步入试验站冬小麦试验田垄上，免耕区域与传统深翻区域、单施化肥区与有机无机配施区截然不同的小麦长势形成鲜明对比。“时间证明了有机与无机结合的强大生命力。”科研人员张建军指着脚下松软、结构良好的土壤激动地说，有机质的持续投入，塑造了疏松、通透、富含养分的耕层，这种健康的土壤能提供惊人的缓冲能力和持久的供水供肥能力，是旱作农业稳产高产的“核心密码”。

“我们的方向很明确——将培育厚沃耕层作为丰收的根本保障，让黄土高原成为国家后备粮仓。”樊廷录说。

这场观摩会不仅是农业科技创新成果的集中展示，更是对“藏粮于地、藏粮于技”战略的生动实践。正如中国农业科学院梅旭荣研究员所言：“这套技术体系实现了高效协同与精准落地。旱作农业的关键在于水资源的高效利用和土壤健康的持续维护，我们要以极端干旱灾害为契机推动技术革新，从土地中探寻可持续发展的答案。抗逆品种、智能耕作和生态技术深度融合，实现水、土、生物与技术的协同增效，不仅对提升北方旱作区产能具有重要推广价值，更为北方中低产田实现‘产能提升’与‘生态修复’双赢开辟了新路径。”