于菲菲：解锁边际土地潜力的钥匙——高粱的多维价值

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第63期演讲2024年12月14日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中国农业大学教授于菲菲出席，并以《解锁边际土地潜力的钥匙——高粱的多维价值》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我是于菲菲，来自中国农业大学。我今天和大家分享的这个故事是《解锁边际土地潜力的钥匙——高粱的多维价值》。

　　大家还记得今天午饭吃了什么吗？我们建国以来从啃玉米窝头到白面馒头，再到今天我们饭桌上越来越丰盛的饭菜。标志着我们的国家在发展，我们的社会在发展，我们的农业在发展。

　　说到吃，大家知道我们国家一年消耗多少粮食吗？刚才刘志勇老师聊到我们换算为吨的话，我们是消耗将近7.8亿吨粮食。大家算一下我们大约有14亿人口，也就是说我们每个人每年消耗0.5吨粮食，也就是1000斤，换算到每一天我们每天都要消耗三斤粮食。大家午餐的时候是不是吃了一斤的馒头或者是一斤的米饭？对，有的朋友说是不能够，除非你是大胃王。我们真的需要这么多粮食吗？我们这么多的粮食都去哪里了呢？大家看一下我们国家现在的整个食物的消费结构。其实我们从30年来消耗的谷物应该是40年了，81年到现在，消耗的谷物是减少了30%多，而我们消耗的肉蛋奶增加了300%~400%。也就是说我们每天吃的馒头吃的米饭在减少，但是我们每天要吃的肉，我们消耗的畜禽类在增多，大家心里可能就有答案了。其实我们的粮食50%也就一半以上都用去饲喂牲畜了，包括猪、羊等。也就是说我们直接消耗的粮食直接吃的粮食大约是33%，也就是说我们国家现在人畜争粮的矛盾是非常突出的。

　　我们除了在耕地上要粮食，我们还能怎么办？大家有没有觉得我们这几年吃的牛牛羊肉增多了？对，因为这牛羊它不仅吃部分的籽粒，它还能吃什么？对，有朋友说是草。对，牛羊它是反刍动物，它可以利用这些草，利用植物的茎杆把它转换成牛肉，羊肉供到我们的餐桌上。但是大家看一下我们的草原，这是我的同事在内蒙拍的这张照片。如果有朋友去内蒙旅游，然后自驾去的话，从北京一路向北，经过一路上的草原，可以看到草原上有一个可注意的话，可以看到一丛丛的这种非常明显的比较高大一点的草，这种草叫芨芨草，就是草原退化的这种象征。我们由于过度放牧，我们国家70%的草原都面临着这种退化的问题。我们把19亿亩耕地，当然我们的耕地红线是18亿亩，然后加上这40亿亩的草原，还不能满足我们对肉蛋奶的需求。我们还能用什么？我们还能做什么呢？

　　大家看这样一片土地，这是雪吗？对，这不是雪。这是盐碱就盐碱地上析出来的盐碱。我们有多少这样的土地？我们国家是有15亿亩这样的土地，其中5亿亩是具有开发利用潜能的。大家想想我们有19亿亩的耕地，如果我们再把这5亿亩的盐碱地给利用起来，对我们的农业是一个多大的增长点。大家是不是又可以多吃点牛羊肉了？

　　我们要去利用这些盐碱地，我们怎么去用呢？其实有两个方法，一个就是以地适种。第二个就是以种适地。我们通俗来说，一个就是改地，一个就是改种。我作为一个研究植物学的人来说，我能做的就是去改种。我们要去改种，也就是我们就要去培育这些耐盐碱的作物。我们就要了解植物它是怎么去耐盐碱的，我们要知道植物怎么去耐盐碱，是不是要了解一下土壤盐碱土是怎么回事？我们看一下我们国家的盐碱地，其实40%是盐地，60%是碱地。这个盐地它的富含的就是顾名思义它是中性盐，它包含氯化钠和硫酸钠。氯化钠大家应该都是比较熟悉的，就是我们平时食用盐的主要的成分。而碱地顾名思义也就是它含有碱性盐，它含有的是碳酸钠、碳酸氢钠。如果有朋友平时喜欢做饭会用到家里小苏打打，所以我们碱地也叫苏打盐碱地。也就是如果我们去培育这种耐盐碱的作物，我们需要让它既耐盐又耐碱。我们就看一下植物是怎么去耐盐，怎么去耐碱的。我们首先看通过文献搜索，我们就发现有6万多篇的文章在研究植物是如何耐盐的，也就是说我们对植物如何耐盐，其实是研究的比较深入的。而看一下关于植物耐碱的文章只有2000多篇，说明我们对耐碱其实是认知是非常不足的，这可能也是因为我们以前也忽略了，我们觉得盐碱地里就是盐，所以大家都去研究盐，我们也研究出来了非常经典的一些理论。而碱我们现在没有一个非常说得出来的，或者是说公众科学家认可的理论，所以这一块几乎就是一个0。

　　我们看一下植物在盐地上在和碱地上生长的时候有什么区别？大家看一下这个图片，我们知道植物如果受到一种胁迫的话，不管是干旱还是在这种高的盐的下面生长的时候，它会慢慢的变黄，然后再慢慢的萎蔫。但如果我们把它放到碱土里边，我们几乎是看不到变黄的过程，直接叶片就是一种烧焦的现象，我们在专业上就叫做烧苗，所以碱对植物的这种损伤要远远大于盐的这种损害。我们粗略的知道，我们碱处理能够产生一些活性氧，能够影响植物的对营养的元素的吸收，但是这都是一些比较粗浅的理解。

　　我们一方面是我们只有现成的理论，我可以随沿着现成的理论去研究植物如何耐盐，另一方面我们是没有任何的这种理论根据去研究耐碱的，但是我们还是要去做这种0~1的这种突破，我们要去研究植物如何耐碱这个难题。我其实博士期间是做拟南芥的，拟南芥其实大家看它的高度现在其实是30~40厘米的这样一种小草，它是在欧洲大欧洲发现的一种小草。上个世就是近一个世纪以来，大家已经把它研究成为一种非常成熟的这种模式植物，也就是说它的研究技术，它的研究方法已经非常成熟。我博士期间就围绕它做了很多的成果。我参加工作之后我就在思考，因为我慢慢的意识到国家对农业的重视，我就在纠结，我是沿着一个自己熟悉的方向去做，拟南芥还是转向去做作物，因为一方面我要去研究你来建，我就很快会出成果，我可以很快的去晋晋升我的职称。另一方面如果说我去做高粱，技术是非常不成熟的，我有可能做很多年，很辛苦去跑到大田里，但是没有成果。我正纠结的时候，因为我是博士毕业，留到了我博导的实验室参加了工作。有一天我的博士导师谢旗研究员就把我叫到办公室里，就说他很委婉，他说，“你能抽出一部分精力来去做高粱吗？”因为高粱当时实验室的整个技术体系还不成熟，我心里一想我正纠结这事，然后我的老师也是在非常的高瞻远瞩，我想他既然问我了，我这条路肯定是对的，我说：“我愿意！”我就开始了高粱的研究。

　　高粱是什么？我们怎么去研究？其实高粱它是起源于非洲萨赫勒地区，撒哈拉大沙漠大家知道吗？肯定都知道。所以它起源于这样的地方，它也被称为骆驼植物，所以它是非常耐旱的。当由于这种沙漠里边的水分是一直在往外蒸发，地下的盐分也慢慢的聚集到土地表面，所以其实这个地方也是非常的耐盐碱性也是非常强的，所以高粱它就出生在这种耐盐碱的地方，我们开玩笑说它打娘胎里它就是耐盐碱的。

　　我们看一下高粱和我们平时吃的主粮作物——小麦、水稻去比较一下，不管是耐盐方面还是耐碱还是耐pH方面，它都是有非常非常好的耐力性。我们来看一下这个图上，可以看到这个土地上都是白花花的盐碱。看我们的高粱还是长得非常的好，并且由于高粱它在非洲它是高非洲地区的主粮，所以因为非洲这个地方它的环境是非常恶劣的，所以它保留了一些非常丰富的这种遗传变异。也就像刚才刘志勇老师讲的一些在这种非常复杂的环境下，它的好多的基因它都可以保留下来，而我们的主粮作物在长期的驯化过程当中，其实同质化是非常严重的，所以这对于我们来我们研究也是一个非常好的利好。那高粱它这么耐盐碱，我们要去用它研究它有没有什么经济价值，我们去研究一个东西，我们希望最后能用能对我们的人民是有利益的，能够我们真正的贡献于经济我们的发展。其实高粱大家知道，它其实是我们国家是有这种悠久的白酒文化，其实我们目前很多高粱的籽地都去用来去酿酒，因为这个高粱它是酿酒当中必备的一个原料。我们在研究过程当中，我们就发现了一种种籽粒高粱的变种，叫甜高粱。这种高粱茎杆里含有丰富的糖，可能年长的朋友们小的时候应该也都吃过这种甜杆，就是这种甜高粱。甜高粱也可以跟玉米一样去做青贮，然后去喂养牛羊，因为它茎杆里的糖分可以为牛羊提供很多的这种能量。大家看一下，我是1米67的个子，高粱大约是有三米多高，但是没有它还可以继续往上长。所以它特别高，它的生物量很高，并且它还可以跟草一样去多次刈割，像刚才说割韭菜是一茬一茬割，有的我们甜高粱在海南也是五六茬都可以的。然后大家看一下远处是我们没有割过的，然后近处是我们刈割一个月之后，它很快就能长到一米多，所以高粱被认为是世界上生物量最高的作物。

　　那高粱还有什么好处呢？大家知道我们一直在说我们国家的双碳目标在国际上各方面，然后都在说双碳目标，大家知道我们国家17%的温室气体是来自于畜牧业吗？包括牛羊的粪便，包括牛羊它直接呼出的排放出来的这种温室气体，还有我们饲料生产过程当中产生的。并且贡献的最大的就是奶牛，65%，每头奶牛一天能产生200~400升的甲烷，而高粱当中含有一种非常神奇的物质叫单宁。大家有没有吃过柿子就还没有太成熟的时候，一口咬下去就涩涩的。如果小朋友或者是比较小的朋友没有吃过柿子，你有没有吃过葡萄？葡萄籽不小心一咬也是涩涩的感觉，那就是单宁在起作用。而高粱中它就含有这样的物质，这种物质能够促进牛羊的胃肠蠕动，减少牛羊的鼓胀病，从而减少47%的甲烷的排放，所以甜高粱对我们的环境也是非常友好的，我们要用什么样的材料去找？

　　其实高粱从野生高粱驯化到我们现在的栽培高粱，它在这过程当中产生了各种各样的材料，成千上万的材料。并且我们知道高粱中有3万多个基因，如果换算成核核苷酸的话，有7.3亿个核苷酸，我们怎么样用这些材料从3万多个基因当中，从7亿多个核苷酸中寻找这种耐盐碱的密码。

　　我们首先要做的是我们要去对我们这些材料进行一个耐盐碱的评价，我当时就直接和我的核心老师说，我们直接把材料去种到盐碱地上，我们一看不就知道了，我的博士导师说你知道做实验只能有一个变量吗？如果我们把这些材料种到盐碱地上，你知道盐碱地是非常不均匀的吗？坑坑洼洼的就会导致他眼睑在不同的地方聚集的程度是不一样的。

　　你这样的话你的实验就有两个变量。一个就是不同程度的盐碱，一个就是你不同的材料，你得出来的结果到底是由这两个变量哪一个决定的呢？我忽然想起来，我导师从我入学的时候就一直在强调，做实验必须要有一个变量，经过讨深入的讨论之后，我们决定回到这个实验室里，这也是我们非常擅长的。但是回到实验室里，我们怎么从实验室里去模拟大田里的这种环境或这种土壤？我们首先去分析了一下盐碱土里边的成分。我们刚才说盐碱土里面含有碳酸氢钠和碳酸钠。我们于是用碳酸钠去处理，用碳酸氢钠处理，但是我们每次的结果都不一致，非常恼人，几百份材料每次上都不一致。我们后来又想，我们其实做实验的时候有一种叫缓冲液，像PBS。它由磷酸二氢钠和磷酸氢二钠组成的，盐碱土里的碳酸氢钠和碳酸钠是不是也可以组成这种一种稳定的环境？然后我们就去尝试了，我们配了一个5：1的这样一个碳酸钠碳酸氢钠的一这种处理条件，我们答案是我们找到了这种稳定的条件。我们把材料上上以后就可以看到有很多这种耐盐碱的，也有很多这种枯萎已经很快就死亡的材料。我们完成了整个的300多份材料的表型的评价，我们这些材料从全国各地收集起来，然后我们又去摸索这些条件去得到了这些表型跟它的遗传信息去进行了一个全基因组的关联。我们终于挖掘到了主项耐盐碱的基因AT1，叫Alkali Tolerance 1。它是一个什么样的基因？

　　它其实编码G蛋白γ亚基，G蛋白γ亚基是什么？我十几年前这个去超市的话，我买的米基本上都是圆粒的，现在再去超市看一下，有很多这种长粒米，并且大家都觉得这种长粒米就是观感特别好，并且晶莹剔透的，然后味道也特别好。其实这个基因在水稻当中的同源基因就是GS3，也就是控制我们平时吃的圆粒米到长粒米转变的一个基因，我们知道的基因是什么？然后我们这个基因是从大数据里边挖掘出来的，它是不是真的有用，我们一直在强调大数据，但是我们大数据出来的东西到底可不可靠，我们还是需要用实验去验证。我们用了不同的遗传学实验，我们用了这种近等基因系的这种材料，它们的区别就是一个材料里有这种全程的AT1，一个材料里是有这种突变的，我们命名为这种小at1。我们一看到大AT1是耐盐碱的，小at1不耐盐碱我们非常开心。我AT1然后帮助植物去耐盐碱了。可是我们接下来的遗传学实验，我们通过基因编辑的方法，用现代的这种基因编辑的方法去敲除之后也就是造成了大AT1的这种突变，发现它特别耐盐碱，就跟我们的小at1是完全相反的，并且比大AT1更为耐盐碱长势更好。我们遗传学实验是这两个实验是相互矛盾的吗？现在我们的学生其实也做了三年多的实验了，周期是非常长的，学生也是来跟我说，“于老师怎么办？”然后我们用哪个数据，我们信哪一个？学生的压力也非常大，我说，“我们坐下来然后一起分析一下。”我们一分析就发现虽然小at1它也是一个突变的形式，但是它保留了一段蛋白，它还能编码一段蛋白，并且蛋白更加稳定。也就是说如果AT1是一个杀手的话，小at1就是一个大大的杀手。最终我们通过进一步的通过基因编辑的方法，把大AT1敲成人为的敲这种小at1，发现小at1真的是不大严谨的，也就是说我们的猜测是对的。大AT1其实它是植物耐盐碱的一个杀手，我们只有杀掉这个杀手，我们才能获得这种耐盐碱的作物。我们终于打开了这个主效耐盐碱AT1的这个“藏粮密码”。它的机理是这样的，就是我们的植物在耐盐在盐碱条件下，细胞内会积累活性氧。大家知道活性氧对于我们人类的皮肤会造成衰老，植物也一样，细胞内的活性氧大多积累过量的话，它就会造成一些损伤，细胞就会死亡，表现到植物上植物就会死亡。而如果我们把细胞内的杀手 AT1通过基因编辑的方式剪切掉之后，我们把杀手杀掉了，细胞内的积累的活性氧就可以有效的排出细胞细胞外，我们的植物就是耐盐碱，我们的产量就得到了提升。

　　我们这项工作完成之后，其实投稿过程也比较曲折，但最终我们还是被全球最权威的杂志接收了。我们的成果被国际上认可了，我们是非常开心和激动的。对于培养研究生，我心里的石头也是落下来了，虽然心里的石头落下来了，但是我们的理论还需要落到大地上，所以我们又回到了田间，这是您在宁夏平罗盐碱地，我们在种植之前，大家看我们种植之后。我们没有改造过的材料，迅速地就出现了前面说的这种烧苗的表型，而我们改造之后的材料绿油油的。而我们最后测产量或是整个生物量分别提高了20%和30%，也就是说我们这个基因我们这个理论是有用的。

　　我们前面说水稻里边也有这样一个同源基因，我们就想我们的理论是不是可以延伸到这些主粮作物当中。我们就去和白城大安碱地实验站，这是我们国家第一个碱地实验站，以及华中农业大学去合作去做了这样一个田间实验。我们可以看出我们改造过的水稻在田间都可以看出它的穗子沉甸甸的，要比我们没改造过的穗子压下去的就是非常的明显。我们通过测产发现也能提高产量，在盐碱地上提高产量约20%，所以它在水稻当中也是有用的。我的博士导师谢老师他在有一次就在这个做实验，在我们进行过程当中就和李家洋院士说了我们成果，李院士就说我们有一个水稻品种，但是我们还不知道它是耐盐碱的，我们是不是可以去试一下，我们就把中科发5号放到了大安盐碱站上，发现中科发5号真的是具有非常好的耐盐碱性。我们 AT1的相关理论推动了中科发5号在东北盐碱地的大面积种植。2023年中科发5号成为了全国推广面积前十大品种之一，我们做的理论能够真正的推动产业的发展。对于我们科学家来说，这是我们最希望看到的，也是最令我们欣慰的。小麦也是一个非常重要的主粮作物，我们也把它放到了小麦上边。我们看一下我们从昌平拖回来的正常的土，我们不管改造和不改造的材料长的是一样的，它都可以正常的开花结籽。而我们从白城拖回来的盐碱土，我们把它种上以后可以看出我们没改造过的材料很快就长不起来了，而我们的改造过之后的材料就可以很好的耐盐碱，我们就可以收到小麦的种子，所以它在小麦当中也是发挥功能的，我们同的理论也适用于小麦的耐盐碱改良。

　　我们这些工作获得了国家的中国科学十大进展，我们荣誉是国家给予我们的荣誉，同时也鞭策我们砥砺前行，也鼓励我们鞭策我们继续向大自然寻找耐盐碱的答案，将我们的理论和我们的生产实践结合起来。我们每个科学家其实都有一个梦想，而我的梦想就种植在我们的盐碱地上，种植在我们的边际土地上。我的梦想是希望有一天大家在座的朋友们能吃上我们盐碱地上种植的高粱，饲喂出来的牛羊肉，能够吃上我们盐碱地上种的高粱，出来的优质含有优质纤维的高粱米，谢谢大家。我们把盐碱地充分利用起来，也就是保护了我们的耕地，也就是保护了我们的草原，也就端稳了我们国家的饭碗。谢谢大家。

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