崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室專家團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)水稻“低鎘不減產(chǎn)”

近日，記者從崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室獲悉，崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合合作者，通過精準(zhǔn)編輯水稻關(guān)鍵基因，成功創(chuàng)制出籽粒鎘含量顯著降低、產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀保持穩(wěn)定的水稻新種質(zhì)，為破解鎘污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)難題提供了可落地的育種新方案。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》。

鎘并非植物生長必需元素，可通過土壤—水稻—食物鏈進(jìn)入人體。長期攝入鎘，會(huì)造成腎功能損傷，誘發(fā)癌癥、骨質(zhì)疏松等多種嚴(yán)重疾病。水稻OsNramp5基因負(fù)責(zé)將根部吸收的鎘、錳等金屬離子輸送至莖稈。以往敲除這一基因雖能降低稻米鎘含量，卻會(huì)造成錳等必需元素缺失，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)以O(shè)sNramp5基因?yàn)榘袠?biāo)，運(yùn)用單堿基編輯器，采取堿基編輯飽和突變策略，設(shè)計(jì)238個(gè)sgRNA，構(gòu)建大規(guī)模突變體庫，從中篩選兼具低鎘、高錳、穩(wěn)產(chǎn)特性的優(yōu)異等位變異，最終鑒定到一個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)突變（I441T）。攜帶該突變的水稻籽粒鎘含量大幅下降，株高、分蘗數(shù)、單株產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀穩(wěn)定，籽粒內(nèi)錳、鋅、鐵等關(guān)鍵營養(yǎng)元素含量與常規(guī)水稻無明顯差別。

研究進(jìn)一步揭示了其作用機(jī)制：I441T突變提升了OsNramp5蛋白對鋅離子的選擇吸收能力，強(qiáng)化了水稻根系對鋅的攝取。根系細(xì)胞鋅濃度上升，可競爭性阻斷鎘向木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)，大幅減少鎘向籽粒遷移。該突變沒有改變OsNramp5基因的表達(dá)量、蛋白豐度與亞細(xì)胞定位，錳元素轉(zhuǎn)運(yùn)活性也未受影響，真正做到定向降鎘。

該研究發(fā)現(xiàn)了重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)的精準(zhǔn)調(diào)控新機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了水稻“低鎘不減產(chǎn)”的目標(biāo)，為培育既保障糧食安全又降低健康風(fēng)險(xiǎn)的水稻品種提供了全新策略。

（記者 馮晨陽）