專題：2024年CC講壇

　　由北京君和創(chuàng)新公益基金會、中國科學院大學校友會聯(lián)合主辦，主題為“和而不同，思想無界”的CC講壇第63期演講2024年12月14日在中國科學院大學（北京玉泉路校區(qū)）禮堂舉行。來自中國農(nóng)業(yè)大學教授于菲菲出席，并以《解鎖邊際土地潛力的鑰匙——高粱的多維價值》為題發(fā)表演講。

　　以下為演講實錄：

　　我是于菲菲，來自中國農(nóng)業(yè)大學。我今天和大家分享的這個故事是《解鎖邊際土地潛力的鑰匙——高粱的多維價值》。

　　大家還記得今天午飯吃了什么嗎？我們建國以來從啃玉米窩頭到白面饅頭，再到今天我們飯桌上越來越豐盛的飯菜。標志著我們的國家在發(fā)展，我們的社會在發(fā)展，我們的農(nóng)業(yè)在發(fā)展。

　　說到吃，大家知道我們國家一年消耗多少糧食嗎？剛才劉志勇老師聊到我們換算為噸的話，我們是消耗將近7.8億噸糧食。大家算一下我們大約有14億人口，也就是說我們每個人每年消耗0.5噸糧食，也就是1000斤，換算到每一天我們每天都要消耗三斤糧食。大家午餐的時候是不是吃了一斤的饅頭或者是一斤的米飯？對，有的朋友說是不能夠，除非你是大胃王。我們真的需要這么多糧食嗎？我們這么多的糧食都去哪里了呢？大家看一下我們國家現(xiàn)在的整個食物的消費結構。其實我們從30年來消耗的谷物應該是40年了，81年到現(xiàn)在，消耗的谷物是減少了30%多，而我們消耗的肉蛋奶增加了300%~400%。也就是說我們每天吃的饅頭吃的米飯在減少，但是我們每天要吃的肉，我們消耗的畜禽類在增多，大家心里可能就有答案了。其實我們的糧食50%也就一半以上都用去飼喂牲畜了，包括豬、羊等。也就是說我們直接消耗的糧食直接吃的糧食大約是33%，也就是說我們國家現(xiàn)在人畜爭糧的矛盾是非常突出的。

　　我們除了在耕地上要糧食，我們還能怎么辦？大家有沒有覺得我們這幾年吃的牛牛羊肉增多了？對，因為這牛羊它不僅吃部分的籽粒，它還能吃什么？對，有朋友說是草。對，牛羊它是反芻動物，它可以利用這些草，利用植物的莖桿把它轉換成牛肉，羊肉供到我們的餐桌上。但是大家看一下我們的草原，這是我的同事在內(nèi)蒙拍的這張照片。如果有朋友去內(nèi)蒙旅游，然后自駕去的話，從北京一路向北，經(jīng)過一路上的草原，可以看到草原上有一個可注意的話，可以看到一叢叢的這種非常明顯的比較高大一點的草，這種草叫芨芨草，就是草原退化的這種象征。我們由于過度放牧，我們國家70%的草原都面臨著這種退化的問題。我們把19億畝耕地，當然我們的耕地紅線是18億畝，然后加上這40億畝的草原，還不能滿足我們對肉蛋奶的需求。我們還能用什么？我們還能做什么呢？

　　大家看這樣一片土地，這是雪嗎？對，這不是雪。這是鹽堿就鹽堿地上析出來的鹽堿。我們有多少這樣的土地？我們國家是有15億畝這樣的土地，其中5億畝是具有開發(fā)利用潛能的。大家想想我們有19億畝的耕地，如果我們再把這5億畝的鹽堿地給利用起來，對我們的農(nóng)業(yè)是一個多大的增長點。大家是不是又可以多吃點牛羊肉了？

　　我們要去利用這些鹽堿地，我們怎么去用呢？其實有兩個方法，一個就是以地適種。第二個就是以種適地。我們通俗來說，一個就是改地，一個就是改種。我作為一個研究植物學的人來說，我能做的就是去改種。我們要去改種，也就是我們就要去培育這些耐鹽堿的作物。我們就要了解植物它是怎么去耐鹽堿的，我們要知道植物怎么去耐鹽堿，是不是要了解一下土壤鹽堿土是怎么回事？我們看一下我們國家的鹽堿地，其實40%是鹽地，60%是堿地。這個鹽地它的富含的就是顧名思義它是中性鹽，它包含氯化鈉和硫酸鈉。氯化鈉大家應該都是比較熟悉的，就是我們平時食用鹽的主要的成分。而堿地顧名思義也就是它含有堿性鹽，它含有的是碳酸鈉、碳酸氫鈉。如果有朋友平時喜歡做飯會用到家里小蘇打打，所以我們堿地也叫蘇打鹽堿地。也就是如果我們?nèi)ヅ嘤@種耐鹽堿的作物，我們需要讓它既耐鹽又耐堿。我們就看一下植物是怎么去耐鹽，怎么去耐堿的。我們首先看通過文獻搜索，我們就發(fā)現(xiàn)有6萬多篇的文章在研究植物是如何耐鹽的，也就是說我們對植物如何耐鹽，其實是研究的比較深入的。而看一下關于植物耐堿的文章只有2000多篇，說明我們對耐堿其實是認知是非常不足的，這可能也是因為我們以前也忽略了，我們覺得鹽堿地里就是鹽，所以大家都去研究鹽，我們也研究出來了非常經(jīng)典的一些理論。而堿我們現(xiàn)在沒有一個非常說得出來的，或者是說公眾科學家認可的理論，所以這一塊幾乎就是一個0。

　　我們看一下植物在鹽地上在和堿地上生長的時候有什么區(qū)別？大家看一下這個圖片，我們知道植物如果受到一種脅迫的話，不管是干旱還是在這種高的鹽的下面生長的時候，它會慢慢的變黃，然后再慢慢的萎蔫。但如果我們把它放到堿土里邊，我們幾乎是看不到變黃的過程，直接葉片就是一種燒焦的現(xiàn)象，我們在專業(yè)上就叫做燒苗，所以堿對植物的這種損傷要遠遠大于鹽的這種損害。我們粗略的知道，我們堿處理能夠產(chǎn)生一些活性氧，能夠影響植物的對營養(yǎng)的元素的吸收，但是這都是一些比較粗淺的理解。

　　我們一方面是我們只有現(xiàn)成的理論，我可以隨沿著現(xiàn)成的理論去研究植物如何耐鹽，另一方面我們是沒有任何的這種理論根據(jù)去研究耐堿的，但是我們還是要去做這種0~1的這種突破，我們要去研究植物如何耐堿這個難題。我其實博士期間是做擬南芥的，擬南芥其實大家看它的高度現(xiàn)在其實是30~40厘米的這樣一種小草，它是在歐洲大歐洲發(fā)現(xiàn)的一種小草。上個世就是近一個世紀以來，大家已經(jīng)把它研究成為一種非常成熟的這種模式植物，也就是說它的研究技術，它的研究方法已經(jīng)非常成熟。我博士期間就圍繞它做了很多的成果。我參加工作之后我就在思考，因為我慢慢的意識到國家對農(nóng)業(yè)的重視，我就在糾結，我是沿著一個自己熟悉的方向去做，擬南芥還是轉向去做作物，因為一方面我要去研究你來建，我就很快會出成果，我可以很快的去晉晉升我的職稱。另一方面如果說我去做高粱，技術是非常不成熟的，我有可能做很多年，很辛苦去跑到大田里，但是沒有成果。我正糾結的時候，因為我是博士畢業(yè)，留到了我博導的實驗室參加了工作。有一天我的博士導師謝旗研究員就把我叫到辦公室里，就說他很委婉，他說，“你能抽出一部分精力來去做高粱嗎？”因為高粱當時實驗室的整個技術體系還不成熟，我心里一想我正糾結這事，然后我的老師也是在非常的高瞻遠矚，我想他既然問我了，我這條路肯定是對的，我說：“我愿意！”我就開始了高粱的研究。

　　高粱是什么？我們怎么去研究？其實高粱它是起源于非洲薩赫勒地區(qū)，撒哈拉大沙漠大家知道嗎？肯定都知道。所以它起源于這樣的地方，它也被稱為駱駝植物，所以它是非常耐旱的。當由于這種沙漠里邊的水分是一直在往外蒸發(fā)，地下的鹽分也慢慢的聚集到土地表面，所以其實這個地方也是非常的耐鹽堿性也是非常強的，所以高粱它就出生在這種耐鹽堿的地方，我們開玩笑說它打娘胎里它就是耐鹽堿的。

　　我們看一下高粱和我們平時吃的主糧作物——小麥、水稻去比較一下，不管是耐鹽方面還是耐堿還是耐pH方面，它都是有非常非常好的耐力性。我們來看一下這個圖上，可以看到這個土地上都是白花花的鹽堿?？次覀兊母吡贿€是長得非常的好，并且由于高粱它在非洲它是高非洲地區(qū)的主糧，所以因為非洲這個地方它的環(huán)境是非常惡劣的，所以它保留了一些非常豐富的這種遺傳變異。也就像剛才劉志勇老師講的一些在這種非常復雜的環(huán)境下，它的好多的基因它都可以保留下來，而我們的主糧作物在長期的馴化過程當中，其實同質(zhì)化是非常嚴重的，所以這對于我們來我們研究也是一個非常好的利好。那高粱它這么耐鹽堿，我們要去用它研究它有沒有什么經(jīng)濟價值，我們?nèi)パ芯恳粋€東西，我們希望最后能用能對我們的人民是有利益的，能夠我們真正的貢獻于經(jīng)濟我們的發(fā)展。其實高粱大家知道，它其實是我們國家是有這種悠久的白酒文化，其實我們目前很多高粱的籽地都去用來去釀酒，因為這個高粱它是釀酒當中必備的一個原料。我們在研究過程當中，我們就發(fā)現(xiàn)了一種種籽粒高粱的變種，叫甜高粱。這種高粱莖桿里含有豐富的糖，可能年長的朋友們小的時候應該也都吃過這種甜桿，就是這種甜高粱。甜高粱也可以跟玉米一樣去做青貯，然后去喂養(yǎng)牛羊，因為它莖桿里的糖分可以為牛羊提供很多的這種能量。大家看一下，我是1米67的個子，高粱大約是有三米多高，但是沒有它還可以繼續(xù)往上長。所以它特別高，它的生物量很高，并且它還可以跟草一樣去多次刈割，像剛才說割韭菜是一茬一茬割，有的我們甜高粱在海南也是五六茬都可以的。然后大家看一下遠處是我們沒有割過的，然后近處是我們刈割一個月之后，它很快就能長到一米多，所以高粱被認為是世界上生物量最高的作物。

　　那高粱還有什么好處呢？大家知道我們一直在說我們國家的雙碳目標在國際上各方面，然后都在說雙碳目標，大家知道我們國家17%的溫室氣體是來自于畜牧業(yè)嗎？包括牛羊的糞便，包括牛羊它直接呼出的排放出來的這種溫室氣體，還有我們飼料生產(chǎn)過程當中產(chǎn)生的。并且貢獻的最大的就是奶牛，65%，每頭奶牛一天能產(chǎn)生200~400升的甲烷，而高粱當中含有一種非常神奇的物質(zhì)叫單寧。大家有沒有吃過柿子就還沒有太成熟的時候，一口咬下去就澀澀的。如果小朋友或者是比較小的朋友沒有吃過柿子，你有沒有吃過葡萄？葡萄籽不小心一咬也是澀澀的感覺，那就是單寧在起作用。而高粱中它就含有這樣的物質(zhì)，這種物質(zhì)能夠促進牛羊的胃腸蠕動，減少牛羊的鼓脹病，從而減少47%的甲烷的排放，所以甜高粱對我們的環(huán)境也是非常友好的，我們要用什么樣的材料去找？

　　其實高粱從野生高粱馴化到我們現(xiàn)在的栽培高粱，它在這過程當中產(chǎn)生了各種各樣的材料，成千上萬的材料。并且我們知道高粱中有3萬多個基因，如果換算成核核苷酸的話，有7.3億個核苷酸，我們怎么樣用這些材料從3萬多個基因當中，從7億多個核苷酸中尋找這種耐鹽堿的密碼。

　　我們首先要做的是我們要去對我們這些材料進行一個耐鹽堿的評價，我當時就直接和我的核心老師說，我們直接把材料去種到鹽堿地上，我們一看不就知道了，我的博士導師說你知道做實驗只能有一個變量嗎？如果我們把這些材料種到鹽堿地上，你知道鹽堿地是非常不均勻的嗎？坑坑洼洼的就會導致他眼瞼在不同的地方聚集的程度是不一樣的。

　　你這樣的話你的實驗就有兩個變量。一個就是不同程度的鹽堿，一個就是你不同的材料，你得出來的結果到底是由這兩個變量哪一個決定的呢？我忽然想起來，我導師從我入學的時候就一直在強調(diào)，做實驗必須要有一個變量，經(jīng)過討深入的討論之后，我們決定回到這個實驗室里，這也是我們非常擅長的。但是回到實驗室里，我們怎么從實驗室里去模擬大田里的這種環(huán)境或這種土壤？我們首先去分析了一下鹽堿土里邊的成分。我們剛才說鹽堿土里面含有碳酸氫鈉和碳酸鈉。我們于是用碳酸鈉去處理，用碳酸氫鈉處理，但是我們每次的結果都不一致，非常惱人，幾百份材料每次上都不一致。我們后來又想，我們其實做實驗的時候有一種叫緩沖液，像PBS。它由磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉組成的，鹽堿土里的碳酸氫鈉和碳酸鈉是不是也可以組成這種一種穩(wěn)定的環(huán)境？然后我們就去嘗試了，我們配了一個5：1的這樣一個碳酸鈉碳酸氫鈉的一這種處理條件，我們答案是我們找到了這種穩(wěn)定的條件。我們把材料上上以后就可以看到有很多這種耐鹽堿的，也有很多這種枯萎已經(jīng)很快就死亡的材料。我們完成了整個的300多份材料的表型的評價，我們這些材料從全國各地收集起來，然后我們又去摸索這些條件去得到了這些表型跟它的遺傳信息去進行了一個全基因組的關聯(lián)。我們終于挖掘到了主項耐鹽堿的基因AT1，叫Alkali Tolerance 1。它是一個什么樣的基因？

　　它其實編碼G蛋白γ亞基，G蛋白γ亞基是什么？我十幾年前這個去超市的話，我買的米基本上都是圓粒的，現(xiàn)在再去超市看一下，有很多這種長粒米，并且大家都覺得這種長粒米就是觀感特別好，并且晶瑩剔透的，然后味道也特別好。其實這個基因在水稻當中的同源基因就是GS3，也就是控制我們平時吃的圓粒米到長粒米轉變的一個基因，我們知道的基因是什么？然后我們這個基因是從大數(shù)據(jù)里邊挖掘出來的，它是不是真的有用，我們一直在強調(diào)大數(shù)據(jù)，但是我們大數(shù)據(jù)出來的東西到底可不可靠，我們還是需要用實驗去驗證。我們用了不同的遺傳學實驗，我們用了這種近等基因系的這種材料，它們的區(qū)別就是一個材料里有這種全程的AT1，一個材料里是有這種突變的，我們命名為這種小at1。我們一看到大AT1是耐鹽堿的，小at1不耐鹽堿我們非常開心。我AT1然后幫助植物去耐鹽堿了。可是我們接下來的遺傳學實驗，我們通過基因編輯的方法，用現(xiàn)代的這種基因編輯的方法去敲除之后也就是造成了大AT1的這種突變，發(fā)現(xiàn)它特別耐鹽堿，就跟我們的小at1是完全相反的，并且比大AT1更為耐鹽堿長勢更好。我們遺傳學實驗是這兩個實驗是相互矛盾的嗎？現(xiàn)在我們的學生其實也做了三年多的實驗了，周期是非常長的，學生也是來跟我說，“于老師怎么辦？”然后我們用哪個數(shù)據(jù)，我們信哪一個？學生的壓力也非常大，我說，“我們坐下來然后一起分析一下?！蔽覀円环治鼍桶l(fā)現(xiàn)雖然小at1它也是一個突變的形式，但是它保留了一段蛋白，它還能編碼一段蛋白，并且蛋白更加穩(wěn)定。也就是說如果AT1是一個殺手的話，小at1就是一個大大的殺手。最終我們通過進一步的通過基因編輯的方法，把大AT1敲成人為的敲這種小at1，發(fā)現(xiàn)小at1真的是不大嚴謹?shù)?，也就是說我們的猜測是對的。大AT1其實它是植物耐鹽堿的一個殺手，我們只有殺掉這個殺手，我們才能獲得這種耐鹽堿的作物。我們終于打開了這個主效耐鹽堿AT1的這個“藏糧密碼”。它的機理是這樣的，就是我們的植物在耐鹽在鹽堿條件下，細胞內(nèi)會積累活性氧。大家知道活性氧對于我們?nèi)祟惖钠つw會造成衰老，植物也一樣，細胞內(nèi)的活性氧大多積累過量的話，它就會造成一些損傷，細胞就會死亡，表現(xiàn)到植物上植物就會死亡。而如果我們把細胞內(nèi)的殺手 AT1通過基因編輯的方式剪切掉之后，我們把殺手殺掉了，細胞內(nèi)的積累的活性氧就可以有效的排出細胞細胞外，我們的植物就是耐鹽堿，我們的產(chǎn)量就得到了提升。

　　我們這項工作完成之后，其實投稿過程也比較曲折，但最終我們還是被全球最權威的雜志接收了。我們的成果被國際上認可了，我們是非常開心和激動的。對于培養(yǎng)研究生，我心里的石頭也是落下來了，雖然心里的石頭落下來了，但是我們的理論還需要落到大地上，所以我們又回到了田間，這是您在寧夏平羅鹽堿地，我們在種植之前，大家看我們種植之后。我們沒有改造過的材料，迅速地就出現(xiàn)了前面說的這種燒苗的表型，而我們改造之后的材料綠油油的。而我們最后測產(chǎn)量或是整個生物量分別提高了20%和30%，也就是說我們這個基因我們這個理論是有用的。

　　我們前面說水稻里邊也有這樣一個同源基因，我們就想我們的理論是不是可以延伸到這些主糧作物當中。我們就去和白城大安堿地實驗站，這是我們國家第一個堿地實驗站，以及華中農(nóng)業(yè)大學去合作去做了這樣一個田間實驗。我們可以看出我們改造過的水稻在田間都可以看出它的穗子沉甸甸的，要比我們沒改造過的穗子壓下去的就是非常的明顯。我們通過測產(chǎn)發(fā)現(xiàn)也能提高產(chǎn)量，在鹽堿地上提高產(chǎn)量約20%，所以它在水稻當中也是有用的。我的博士導師謝老師他在有一次就在這個做實驗，在我們進行過程當中就和李家洋院士說了我們成果，李院士就說我們有一個水稻品種，但是我們還不知道它是耐鹽堿的，我們是不是可以去試一下，我們就把中科發(fā)5號放到了大安鹽堿站上，發(fā)現(xiàn)中科發(fā)5號真的是具有非常好的耐鹽堿性。我們 AT1的相關理論推動了中科發(fā)5號在東北鹽堿地的大面積種植。2023年中科發(fā)5號成為了全國推廣面積前十大品種之一，我們做的理論能夠真正的推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對于我們科學家來說，這是我們最希望看到的，也是最令我們欣慰的。小麥也是一個非常重要的主糧作物，我們也把它放到了小麥上邊。我們看一下我們從昌平拖回來的正常的土，我們不管改造和不改造的材料長的是一樣的，它都可以正常的開花結籽。而我們從白城拖回來的鹽堿土，我們把它種上以后可以看出我們沒改造過的材料很快就長不起來了，而我們的改造過之后的材料就可以很好的耐鹽堿，我們就可以收到小麥的種子，所以它在小麥當中也是發(fā)揮功能的，我們同的理論也適用于小麥的耐鹽堿改良。

　　我們這些工作獲得了國家的中國科學十大進展，我們榮譽是國家給予我們的榮譽，同時也鞭策我們砥礪前行，也鼓勵我們鞭策我們繼續(xù)向大自然尋找耐鹽堿的答案，將我們的理論和我們的生產(chǎn)實踐結合起來。我們每個科學家其實都有一個夢想，而我的夢想就種植在我們的鹽堿地上，種植在我們的邊際土地上。我的夢想是希望有一天大家在座的朋友們能吃上我們鹽堿地上種植的高粱，飼喂出來的牛羊肉，能夠吃上我們鹽堿地上種的高粱，出來的優(yōu)質(zhì)含有優(yōu)質(zhì)纖維的高粱米，謝謝大家。我們把鹽堿地充分利用起來，也就是保護了我們的耕地，也就是保護了我們的草原，也就端穩(wěn)了我們國家的飯碗。謝謝大家。

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