中国科学家发现植物防御素在水稻镉积累中的调控新机制

2018年2月13日，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题为 “A defensing-like protein drives cadmium efflux and allocation in rice”的研究论文。本文揭示了植物防御素类蛋白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。

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“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。

水稻是我国重要的、也受重金属污染危害显著的粮食作物。龚继明研究组通过离子组学平台，系统鉴定了能较好代表中国水稻遗传多样性的核心种质资源库以及一些代表品种，发现在水稻籽粒和叶片中镉积累及其与其它营养离子积累的相关性都具有很好的多态性，预示定向控制重金属离子在水稻不同部位间积累是可行的。进一步的研究从TN1和CJ06的遗传群体中克隆到一个特异调控镉在水稻叶片中积累的主效QTL基因CAL1，研究表明该基因编码一个植物防御素类似蛋白，该蛋白通过螯合镉并跨细胞膜分泌到胞外的方式，将镉从细胞质中卸载出来，进入木质部中参与长途转运。由于二者的紧密结合，所以可能进一步屏蔽掉了这些螯合态镉再次跨膜通过韧皮部向水稻籽粒的再分配过程，从而定向调控其在叶片等营养器官的积累。

此论文是龚继明研究团队“修复型水稻的遗传基础”的系列论文之一，中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所罗劲松博士、黄婧博士和中国水稻研究所曾大力研究员为论文共同第一作者，龚继明研究员和钱前研究员为共同通讯作者。此工作得到了国家杰出青年科学基金以及中科院战略性先导科技专项等的资助。