妙!植物的智慧:农作物“兼职”当土壤“修复员”

妙!植物的智慧:农作物“兼职”当土壤“修复员”飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:董纯蕾   2018-02-13 18:01

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图说:研究人员在人工气候室 杨正行 摄

它是懂得自我保护的水稻,即使生活在已被重金属镉污染的土壤里,也能机智地将镉往稻草定向“驱赶”,而不滞留在关乎人类食品安全的籽粒里。它是没有“住房”要求的土壤“修复员”,只要不断及时收割和资源化处理富集了镉的稻草,便能逐步修复中轻度污染的农田,而不再额外占用耕地。

土壤的重金属污染日益成为全球性的粮食生产之困。在上海,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,提出“修复型水稻”培育理念,并新近寻获了一种能定向调控水稻营养器官中重金属镉积累的植物蛋白,解析了其调控机制,从而验证了边种庄稼边修复土壤的“两边不耽误”策略的可行性。这也是我国首次发布与农作物重金属控制相关的标志性研究成果。

北京时间今天18时,国际知名学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了这一研究成果。

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图说:龚继明研究员在实验室杨正行 摄

修复重金属污染土壤刻不容缓

“修复型水稻的研究,无论如何都要抓紧做。”龚继明常常有时间不够用的迫切感。因为水稻是我国最重要的粮食作物,其生长环境却也难逃重金属污染。

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。据初步估计,我国耕地面积的20%以上受到镉、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,重金属污染治理无疑迫在眉睫。十多年前,龚继明带着他在美国期间和多个实验室联合开发出的离子组学技术,回到国内,便潜心钻研对付重金属污染的“天然良方”,到处寻觅对重金属具有超富集“魔力”又无碍自身生长的植物基因,进而培育高表达此类基因的“超级治污植物”。

然而,另一个必须面对的现实国情是我国人多地少,很多遭受中低度重金属污染的农田还不能休耕,也无暇专事种植“治污植物”,必须从事农业生产。为了两全其美,研究人员费尽思量,终于计上心头:培育能“兼职”修复土壤的农作物。具体而言,所谓修复型农作物,既要确保可食用部位的重金属含量安全达标,又要在秸秆等非食用部位高积累重金属。然而,说起来容易做起来难,修复型农作物是否可行?当时并没有相关的理论可供参考。

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图说:研究成果示意图采访对象供图

十年钻研终获水稻关键基因

于是,龚继明研究组与兄弟单位联合,在各式各样的我国代表性水稻品种中广泛筛选“修复员”基因。结果,在“台南1号”(TN1)中找到了一种关键植物基因——CAL1,可专事控制重金属镉的定向分配,且不影响有用元素的积累。通过前后十年的接力研究,龚继明研究组的黄婧博士和罗劲松博士,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。

可别小看CAL1这个分子量不大的小蛋白,其“调度”、“运输”和“吸附”的本领可是大大的!研究组发现,CAL1通过与镉的“专一”而又紧密的结合,成功地将镉从细胞内运输到细胞外,且确保镉不走回头路——无法再次进入韧皮部细胞内,无法转运到可食用的籽粒,从而有效降低细胞内的镉含量。最妙的是,其表达部位紧靠植物体内的交通干道——维管束,所以这些排到细胞外的镉,随着植物的蒸腾作用,最终“落脚”在叶片、稻草等植物的地上部位,从而与人们的餐桌更远了。

“也就是说,利用CAL1基因,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。如此一来,我们便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的同时,逐步对这些农田实施修复,让它们在不影响生产的前提下逐步得以治理,最终变回清洁的农业生产用地。”龚继明期许说。

此外, CAL1编码的成熟蛋白是一个小的分泌蛋白,还有望开发成一种帮助人体排出体内重金属的多肽类药物。目前,研究组已为该基因申请专利保护。

集齐所有“模块”达成“完美方案”

龚继明研究员告诉记者,一切仅仅是“开了个好头”,近年内尚无法实现相关产品的上市。实验结果显示,植物体内镉的定向调控是由多基因联袂完成的,CAL1在其中的贡献率大概为20%,还需要其它多个基因的协同作用。修复型水稻还需要解决抗性问题,以保证重金属的积累不影响植物自身的生长;水稻籽粒也就是我们食用的稻米部分,其中的镉含量控制不能只满足于含量达标,还需要进一步地降低直至接近为零的理想状态。为此,研究团队正努力“破译”更多关乎植物中镉积累和耐受的基因“密码”,以期形成有效的叠加与搭配,最终设计出一整套高效、完整的修复型作物的分子育种模式。与此同时,中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所的多支研究团队,也正加紧攻关砷、铅等其他重金属的分子治理之道。“这就像一个个模块都要破解一样。距离设计出治理土壤多种重金属污染的‘完美方案’,我们还有很长一段路要走。”

新民晚报记者 董纯蕾

编辑:任天宝

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