世界愈來愈缺乏足夠耕地生產糧食應付人口所需。按聯合國資料,全球人口將由2013年的七十二億增至2050年的九十六億,然而可耕地面積預計由2005年至2050年只增加百分之五,一個重要原因是全球逾九億公頃土地受鹽漬化影響,而當中一成位於中國。
大豆和鹽漬化
中國是全球人口最多的國家,鹽漬化可耕地有六百七十萬公頃,位列世界第四。鹽漬化往往是由於灌溉不當、高鹽度地下水蒸發和海水倒灌造成。耕地鹽漬化會影響作物的產量和品質,因此,培植耐鹽作物是當務之急。
生命科學學院教授兼大豆研究中心主任林漢明成功發現能令大豆耐鹽的基因。
這研究乃以林教授2010年的發現為基礎,當時他和研究團隊破解了三十一種大豆基因組密碼,揭示野生大豆比人工培植大豆有更高生物多樣性,並保存了耐逆基因,以利於自然環境中生長;而人工培植的大豆則已失去適應惡劣環境的基因。
利用野生種源
林教授應用了基因組學、遺傳學和分子生物學的最新技術,抽取野生大豆的耐鹽基因。實驗對象是一種已證實耐鹽程度極高的野生大豆,現稱之為W05,在鹽處理實驗下,W05抵受住高鹽環境存活下來,而對鹽分敏感、稱為C08的大豆,葉子則皺起來,最後枯萎。
遺傳種群
研究人員以人工授粉方法為W05和C08繁殖後代,這是很漫長的過程,因為要建立一個基因結構穩定的種群,並非繁殖一代便能成事,而是要經歷多代。七年之後,繁殖的後代的馴化程度已達到99.99%,即基因變化已趨於完全穩定,研究人員可用來作可靠和反覆的比較。
基因測序過程
林教授的團隊以先進的全基因組測序技術,對W05的基因組和基因型進行解碼,亦即找出這個種群的基因結構差異。
「譬如說我們選了九十六種大豆,每種有二十條染色體,是否每條都帶有父母基因呢?」他解釋,「以往的遺傳學研究會採用分子標記方法,這種方法分辨率很低。現在我們可以透過基因測序,更準確知道該大豆的父母基因分布。」
那麼又如何從浩繁的基因資料找到耐鹽基因?科學家得花多年在農田和溫室蒐集數據。「這是另一個冗長乏味的過程,我們要摒除自然環境的影響,因為自然環境每年都可能不同。」林教授續指出:「我們觀察和測量大豆的特徵,例如種子大小、抗鹽程度等,然後以生物信息學方法分析數據,找出那些植物的基因結構與其在田間表現有何關聯。」
聚焦目標
研究人員觀察到大豆的十一種特徵,成功找到與它們相關的主效基因所處位置,又發現在W05的三號染色體中有一個區域專門主宰大豆的耐鹽程度,該區域有幾十個基因,他們利用多種不同方法,終於找到目標基因。
要確定他們所觀察到的現象不限於W05和C08,研究人員對其他野生和培植品種進行相同測試,發現所有耐鹽大豆均含有該基因,而在對鹽分敏感的大豆內,該基因已突變而永久失去該功能。植物生長於肥沃和灌溉充分的土地上,會經歷基因突變,棄掉無用基因以節省資源。
以分子生物學驗證
研究人員接着以分子生物學來證明該基因確實負責控制植物的耐鹽程度。他們以轉基因方法將目標基因放進植物細胞,發現與沒有目標基因的植物相比,注入該基因的植物較能抵受鹽處理而存活。他們也將目標基因注入C08的根部,同時將一個不相干的基因注入另一棵C08樣本中,比較兩者,他們發現目標基因在鹽處理中表現較優,並為帶有該基因的植物提供更佳的保護。
林教授解釋:「這有兩個意義,一是我們可在細胞層面令植物免受鹽害,二是我們可影響鈉離子的積聚。鈉離子是鹽的重要成分,是有毒性的,一旦進入植物細胞,會影響植物機能。我們發現目標基因可降低植物的鈉離子水平。」
展望未來
林教授希望可與中國西北或東北的研究單位合作,取得耐旱和適應力強的大豆,並加入耐鹽基因,培育出能在極惡劣環境生長的「超級大豆」,改善貧農的生活。
研究結果刊登於2014年7月的《自然通訊》。