我國(guó)耕地面積約20%受到鎘,、砷,、鉛等重金屬污染,，每年造成的糧食減產(chǎn)和污染分別達(dá)到千萬(wàn)噸以上,。由于我國(guó)人多地少,，很多中低度重金屬污染農(nóng)田還必須從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，導(dǎo)致類(lèi)似“鎘大米”事件時(shí)有發(fā)生。能否使得水稻可食用部位的重金屬含量安全,，同時(shí)在秸稈等部位讓重金屬高積累,，從而逐步修復(fù)農(nóng)田呢？
解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾攉@悉,，2018年2月13日,，《自然·通訊》在線發(fā)表了中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所龔繼明研究組的一項(xiàng)科研成果。該論文揭示了一種關(guān)鍵植物蛋白（CAL1）通過(guò)分泌和長(zhǎng)途運(yùn)輸從而調(diào)控水稻中重金屬鎘積累的新機(jī)制,，從概念上驗(yàn)證了“修復(fù)型”水稻的培育理念,，這也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)報(bào)道的作物重金屬控制的標(biāo)志性成果。
大膽地提出了“修復(fù)型作物”這一相對(duì)理想的策略
鎘是我國(guó)比較常見(jiàn)的一種重金屬污染物,，也是強(qiáng)致癌物質(zhì),，其毒副作用導(dǎo)致的后果往往幾十年后才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。上世紀(jì)在日本發(fā)生的著名的“痛痛病”事件,，正是由于人們長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)大米導(dǎo)致了鎘中毒,。由于施肥、污水灌溉以及采礦的影響,，耕地在我國(guó)和廣大發(fā)展中國(guó)家受到較大范圍的污染,。重度污染的土地往往顆粒無(wú)收，而中輕度污染土地上種植的作物,，除了不易發(fā)現(xiàn)的鎘超標(biāo)外無(wú)其它警示癥狀,，所以迫于人多地少的壓力，我們無(wú)法將這些土地專(zhuān)門(mén)用于修復(fù),，往往還需要進(jìn)行高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，因此其潛在的危害性更大。
既保證糧食生產(chǎn)安全,，又同時(shí)逐步修復(fù)被污染的農(nóng)田,，能否解決這一兩難困境呢？2006年龔繼明從美國(guó)回來(lái),，大膽地提出了“修復(fù)型作物”這一相對(duì)理想的策略,。之所以說(shuō)其“大膽”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)全世界尚未有相關(guān)的系統(tǒng)理論研究,，而且一般而言如果水稻的葉片秸稈重金屬含量較高,，其稻谷的重金屬含量也會(huì)相應(yīng)偏高,。
龔繼明研究組把重金屬的植物修復(fù)機(jī)理作為了主要研究方向。歸國(guó)之初即通過(guò)與兄弟單位聯(lián)合,，在我國(guó)搜集了能夠代表70%中國(guó)水稻資源的代表性品種并進(jìn)行了大規(guī)模的篩選。他們發(fā)現(xiàn),，臺(tái)南1號(hào)和春江06號(hào)水稻在重金屬鎘的積累方面差別顯著,，前者是后者鎘積累的3到4倍，而且其它必須元素的積累還沒(méi)有顯著的差異,，這預(yù)示著這一對(duì)水稻品種可用于分離控制鎘定向分配的基因,，并且不會(huì)影響其他有用的必須元素的積累。接下來(lái),，他們需要尋找到控制這一表型的靶點(diǎn)基因,。
10年努力，發(fā)現(xiàn)并克隆關(guān)鍵基因
通過(guò)10年的接力,，龔繼明研究組的黃婧博士和羅勁松博士最終克隆到了特異控制葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中鎘積累的關(guān)鍵基因CAL1,，而且發(fā)現(xiàn)了一種很有意思的機(jī)制：CAL1是一個(gè)分子量不大的植物蛋白，它在細(xì)胞內(nèi)合成后,，通過(guò)特異結(jié)合鎘并將鎘從細(xì)胞內(nèi)排除到細(xì)胞外,，有效降低細(xì)胞內(nèi)鎘的積累。
“把鎘從細(xì)胞內(nèi)帶出來(lái)并不容易,，CAL1就像是鎘的一層包裝,，把鎘裹挾著帶出了細(xì)胞，就像是一次排毒,?！饼徖^明研究員告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾摺Ｓ捎谄浔磉_(dá)部位緊靠植物體內(nèi)的運(yùn)輸大通道維管束,，這些排出到細(xì)胞外空間的鎘隨著蒸騰流運(yùn)輸?shù)搅酥参锏牡厣喜课?。可別小看了這個(gè)蒸騰流,，它就像是植物的一個(gè)“泵”,。由于CAL1蛋白與鎘在細(xì)胞外還是以緊密結(jié)合的形態(tài)存在，使得鎘不能再次進(jìn)入韌皮部的細(xì)胞,，韌皮部是鎘向稻米中轉(zhuǎn)運(yùn)的重要通道,，因此這種結(jié)合實(shí)際上阻止了鎘通過(guò)韌皮部向水稻籽粒的再分配過(guò)程，從而只是定向調(diào)控鎘在葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中的高積累,。
“CAL1基因這樣的工作方式使得我們可以定向改造作物,，讓水稻的秸稈中可以積累更多的重金屬鎘，但又不增加稻米中鎘的含量,，使得我們有可能在中國(guó)面積廣大的中低度污染的農(nóng)田里安全生產(chǎn)農(nóng)作物,，讓這些農(nóng)田在不影響生產(chǎn)的前提下逐步修復(fù),，最終變成清潔的生產(chǎn)用地?！贝送?， CAL1編碼的成熟蛋白是一個(gè)比較小的分泌蛋白，有望開(kāi)發(fā)成一種人體排重金屬的多肽類(lèi)藥物,。目前研究組已經(jīng)對(duì)該基因申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù),。
此論文是龔繼明研究團(tuán)隊(duì)“修復(fù)型水稻的遺傳基礎(chǔ)”的系列論文之一，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所羅勁松博士,、黃婧博士和中國(guó)水稻研究所曾大力研究員為論文共同第一作者,，龔繼明研究員和錢(qián)前研究員為共同通訊作者。