定位于維管束木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的 CAL1 螯合胞質(zhì)鎘并分泌至胞外通過木質(zhì)部長途轉(zhuǎn)運(yùn)

近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)創(chuàng)新中心 / 植物生理生態(tài)研究所龔繼明研究組的研究成果，以 A defensing-like protein drives cadmium efflux and allocation in rice 為題，在線發(fā)表在 Nature Communications 上。研究揭示了植物防御素類蛋白通過分泌和長途運(yùn)輸從而定向調(diào)控水稻營養(yǎng)器官中重金屬鎘積累的新機(jī)制，從概念上驗(yàn)證了論文中提出的“修復(fù)型”水稻培育理念。

重金屬污染在我國呈現(xiàn)出量大、面寬以及污染形態(tài)復(fù)雜的特征。初步估計(jì)我國耕地面積的 20% 以上受到重金屬鎘、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)到千萬噸以上，重金屬污染治理迫在眉睫。但我國現(xiàn)實(shí)國情是人多地少，很多中低度重金屬污染農(nóng)田必須從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致類似“鎘大米”的事件不斷發(fā)生。要解決這種兩難困境，培育既能生產(chǎn)可食用部位重金屬含量安全，同時(shí)在秸稈等部位高積累重金屬的“修復(fù)型”農(nóng)作物可能是解決中國重金屬污染問題的一個(gè)相對(duì)理想的策略， 但其是否可行及其相關(guān)理論基礎(chǔ)尚未有系統(tǒng)研究。

水稻是我國重要的、也受重金屬污染危害顯著的糧食作物。龔繼明研究組通過離子組學(xué)平臺(tái)，系統(tǒng)鑒定了能較好代表中國水稻遺傳多樣性的核心種質(zhì)資源庫以及一些代表品種，發(fā)現(xiàn)在水稻籽粒和葉片中鎘積累及其與其它營養(yǎng)離子積累的相關(guān)性都具有很好的多態(tài)性，預(yù)示定向控制重金屬離子在水稻不同部位間積累是可行的。進(jìn)一步的研究從 TN1 和 CJ06 的遺傳群體中克隆到一個(gè)特異調(diào)控鎘在水稻葉片中積累的主效 QTL 基因 CAL1，研究表明該基因編碼一個(gè)植物防御素類似蛋白，該蛋白通過螯合鎘并跨細(xì)胞膜分泌到胞外的方式，將鎘從細(xì)胞質(zhì)中卸載出來，進(jìn)入木質(zhì)部中參與長途轉(zhuǎn)運(yùn)。由于二者的緊密結(jié)合，所以可能進(jìn)一步屏蔽掉這些螯合態(tài)鎘再次跨膜通過韌皮部向水稻籽粒的再分配過程，從而定向調(diào)控其在葉片等營養(yǎng)器官的積累。

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)創(chuàng)新中心 / 植物生理生態(tài)研究所博士羅勁松、黃婧和中國水稻研究所研究員曾大力為論文共同*作者，研究員龔繼明、錢前為共同通訊作者