培育无砷农作物成为可能 ——中英科学家发现控制植物砷含量关键基因

近年来，我国重金属污染问题日益突出，耕地和灌溉用水的污染导致砷等重金属通过食物链进入人体，严重威胁我国的食品安全和公众健康。如何阻止流向餐桌的砷？中科院上海生科院植生生态所植物分子遗传国家重点实验室晁代印研究组与英国阿伯丁大学及南京农业大学等研究团队合作，在植物身上找到了突破口。12月3日，国际学术期刊《PLoS Biology》在线刊发了相关研究论文。

砷是一级致癌性（类）重金属。当前，随着工农业现代化的扩张，砷等重金属大量流入农田。土壤中的砷经由植物进入食物链，最终被端上餐桌，人类摄取后可能导致皮肤癌、肺癌以及其它脏器重大疾病。如何从植物这个重要媒介入手解决粮食砷污染问题，成为科学家们研究的焦点。

晁代印研究组及其合作团队发现了植物中砷积累调控的关键基因——HAC1，使将来培育低砷甚至无砷农作物成为可能。

研究发现，模式植物拟南芥叶片砷含量存在着巨大的自然变异。研究人员进而利用全基因组关联分析以及图位克隆鉴定了控制这一变异的重要功能基因HAC1。实验表明，HAC1可有效阻止植物体内砷的积累，而其突变则导致植物体内积累高达数百倍的砷。

自然界中砷的化合物，多以砷酸盐的形态存在于土壤中。而砷酸盐在化学性质上与植物生长过程中需要大量吸收的磷酸盐非常相似，植物负责吸收磷酸盐的运输蛋白很难区别两者，因而经常“失误”错将土壤中的砷酸盐一并带入体内。这些借机闯入植物根部的砷一旦向叶、茎以及果实等部分迁移，就会危害植物的生长代谢。为此，植物进化出一个全新的砷酸盐还原酶HAC1，“驻守”在根的外皮层及根毛细胞中，专职“逮捕”“混入”的砷酸盐，将其催化，使其改头换面变成亚砷酸盐。亚砷酸盐与磷酸盐化学性质迥异，植物可以轻松地识别，所以可以利用其它运输蛋白将砷“遣回原籍”——流放到体外，或者“送进监狱”——束缚在根部液泡中，从而限制了砷向地上重要器官的迁移。

该研究揭示了一个全新的植物砷解毒分子机制，对于限制砷向植物以及食物链的迁移、降低农作物的砷含量和利用植物进行砷污染土壤的修复都具有重大的应用价值，有望解决粮食砷污染问题。

《PLoS Biology》对此研究成果进行了专题介绍，并称“HAC1的发现，为研究如何在砷污染高危地区培育可安全食用的农作物迈出至关重要的第一步。该工作蕴藏巨大潜力，有助于改善人体健康”。

此项研究得到了中科院上海生科院启动经费以及中组部“青年千人计划”的资助。