中国科学家发现控制水稻重金属镉积累的新机制

看看新闻Knews记者 张帼霞

2018-02-13 18:07:28

水稻是我国重要的粮食作物,但由于生长环境的缘故受重金属污染危害非常显著。目前,重金属污染在我国呈现出量大、面宽以及污染形态复杂的特征。初步估计我国耕地面积的20%以上受到重金属镉、砷、铅等重金属污染,每年造成的粮食减产和污染分别达到千万吨以上,因此重金属污染治理迫在眉睫。


但是我国的现实国情是人多地少,很多中低度重金属污染农田还必须从事农业生产,导致类似有毒“镉大米”的事件不断发生。


要解决这种两难困境,培育既能生产可食用部位重金属含量安全,同时在秸秆等部位高积累重金属的“修复型”农作物可能为解决中国重金属污染问题的一个相对理想的策略, 但是其是否可行及其相关理论基础尚未有系统的研究。


c06741dbe178510d4c7170568758bf34.jpg


北京时间今天下午,Nature Communications杂志在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所龚继明研究组的研究论文。文中揭示了一种关键植物蛋白(CAL1)通过分泌和长途运输从而定向调控水稻营养器官中重金属镉积累的新机制,从概念上验证了文中提出的“修复型”水稻培育理念,这也是国内第一个在作物中报道的与重金属控制相关的标志性成果。


龚继明研究组的主要研究方向就是重金属的植物修复机理。归国之初他便与兄弟单位联合,搜集了中国的代表性水稻品种并进行了大规模的筛选。其中的台南1号(TN1)和春江06号(CJ6)水稻在重金属积累方面差别显著,而且是镉特异的,这预示着这一对水稻品种可用于分离控制镉定向分配的基因,而且还不影响有用的必须元素的积累。


龚继明研究组的黄婧博士和罗劲松博士通过10年的接力,最终克隆到特异控制叶片等营养器官中镉积累的关键基因CAL1,而且发现了一种很有意思的机制:CAL1是一个分子量不大的植物蛋白,它在细胞内合成后,通过特异结合镉并将镉从细胞内排除到细胞外,有效降低细胞内镉的积累。由于其表达部位紧靠植物体内的运输大通道维管束,所以这些排出到细胞外空间的镉随着蒸腾流运输到了植物的地上部位。


6524bc3f015f99fb00e7ace210e6723e.jpg


由于CAL1蛋白与镉在细胞外还是以紧密结合的形态存在,所以镉不能再次进入韧皮部的细胞,而韧皮部是镉向稻米中转运的重要通道,因此这种结合实际上减少了镉通过韧皮部向水稻籽粒的再分配过程,从而只是定向调控镉在叶片等营养器官中的高积累。


CAL1基因这样的一种工作方式使得我们可以定向改造作物,让水稻的稻草中可以积累更多的重金属镉,但是又不增加稻米中镉的含量,使得我们有可能在中国面积广大的中低度污染的农田里安全生产农作物,同时还逐步对这些农田进行修复,让这些农田在不影响生产的前提下逐步得到治理,最终变成清洁的生产用地。此外, CAL1编码的成熟蛋白只有50个氨基酸,还有望开发成一种人体排重金属的多肽类药物。


目前研究组已经对该基因申请了专利保护。

相关新闻

关键字:水稻重金属