基因编辑为育种带来新天地
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  不久前,袁隆平院士宣布了一项重大成果:水稻亲本去镉技术获得突破,为解决镉污染土地种植安全水稻提供了先进方案,这项重大成果是利用基因编辑技术实现的。 

    

  水稻中的镉问题 

  水稻中的镉问题一直受到广泛关注,那它是到底如何造成的呢?其实,除了土壤本身含镉,随着我国工业化的发展,采矿冶炼产生的废水、废气排放,含镉磷肥施用等,造成耕地镉污染。 

  据统计,我国有1300万公顷的耕地被镉污染。水稻既是主要的粮食作物之一,也是容易蓄积镉的作物之一,稻田中的镉通过水稻的根系被吸收,并向上运输到茎、叶和稻米中。 

  我国南方稻区由于酸性的红壤分布广(酸性土壤有效态镉含量高),籼稻为主的种植模式(相对粳稻多数籼稻蓄积镉的能力更强),加剧了稻米镉污染风险。 

  如果要检测水稻中的镉含量,我们可以通过粉碎、或用酸消解水稻样本,得到的消化液通过原子吸收分光光度计、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪来检测镉含量,而镉含量的检测标准是食品安全国家标准(GB 5009.15-2014,食品中镉的测定)。 

   

  镉污染耕地(图片来自网络) 

  镉是对人体有害的一种重金属,一旦被人体摄入,在体内的半衰期长达10-30年,会在人体的骨骼和肾脏等部位不断富集,引发骨质疏松、肾功能衰竭、癌症及心血管疾病等。 

  其实,在亲本去镉技术出现前,我们也采取率一些方法解决水稻中的镉问题,主要包括“净源”、“失活”、“减量”、“低吸”四种技术或者这些技术的集成办法。 

  譬如有所谓的VIP综合治理策略,VVariety)表示种植低镉水稻,IIrrigation)表示淹水灌溉,PpH值)表示施用石灰调节土壤pH值等农艺措施等。培育、栽培低镉品种是最直接、经济的途径,净化改良土壤是治本之举,但成本高、周期长。 

    

  基因编辑在亲本去镉技术中的运用  

  亲本去镉技术的原理是通过基因组编辑技术,定点突变水稻吸收镉的关键基因,从而有效阻断水稻对镉的吸收,降低水稻植株的镉含量。 

   

  基因组编辑技术在亲本去镉中的运用(图片来自网络) 

  目前,水稻吸收镉的主效基因已经被挖掘,以它作为靶标基因,通过转基因技术导入可使该基因突变的外源基因(CRISPR/Cas9系统),可使靶标基因发生定点突变。 

  因为外源基因与靶标基因在基因组不同位置,在突变后的水稻群体中,可筛选到不含外源基因的突变单株。 

  此前国内外科学家普遍认为因为镉不是水稻生长需要的元素,没有吸收镉的专门通道;再者,稻米镉的积累经由镉的吸收、运输与积累等复杂过程,涉及许多基因,即便发现有吸收镉的主效基因,但降镉的同时对产量构成重要影响,所以对培育出低镉杂交水稻存在很多疑惑。 

  但是近年来,通过从审定的常规稻、杂交水稻品种的大量筛选以及通过大规模常规育种,我们培育出了在中度镉污染土壤栽培籽粒镉低积累的水稻品种,湖南省农委已经发布了一批“应急性镉低积累水稻品种”。 

   

  应急性镉低积累水稻品种(图片来自网络) 

  但这些品种一旦种植在高镉污染稻区,其稻米镉往往会超过0.2mg/kg的国家标准。在研创出“低镉水稻”及其技术以前,培育高镉污染大田产出的稻米镉含量依然低于国家标准的杂交水稻品种,一直是育种界没能突破的一个技术难题。 

  或许会有人有疑惑,亲本去镉技术含转基因成分吗?其实,亲本去镉技术虽然利用到了转基因技术,但获得的低镉水稻已经剔除了所有的外源基因,不含任何转基因成分。 

    

  低镉水稻会影响其他元素的吸收吗? 

  由于镉不是植物必需的矿质元素,一般我们认为,水稻并没有特异性吸收镉的基因,水稻是通过吸收锰等必需矿质元素的通道顺带把镉吸收进根系的。 

   

  镉不是植物必需的矿质元素(图片来自网络) 

  以锰元素为例,低镉水稻在降低镉吸收的同时,会影响到锰的吸收。锰是植物必需的微量元素,维持水稻正常生长不需要大量的锰。由于水稻全生育期有大量时间处于淹水种植状态,这种土壤条件下有效态锰含量高,一般种植条件下水稻的锰含量远远超过其正常生长发育的需求,而高于其他的农作物,且水稻进化出一系列的机制来解除体内的高锰含量带来的毒害效应。 

  所以即使低镉水稻的锰含量大大降低,但正常栽培条件下,不会影响其生长和产量,且在稻米中有一定含量的锰元素。 

 

低镉杂交水稻的未来

  目前,华占和隆科638S是籼型杂交水稻骨干亲本,在杂交稻生产中被广泛用来配组,它们配组出的隆两优华占是隆平高科的主推的高产、优质品种;近年在长江流域、华南稻区广泛种植,年推广面积达数百万亩。 

华占(图片来自网络)

  低镉水稻还需要在不同生态和土壤条件下试验和示范,以熟化成果;如果政策许可,2-3年后即可实现大面积应用,这种方法也可以尝试延用到其他农作物,但需要试验和鉴定。 

  低镉水稻在试验、示范与推广推进工作遇到的关键问题确实主要来自政策方面。目前农业部正在研究基因组编辑技术产生的农作物如何监管的管理办法。在国家相关管理办法出台前,低镉水稻暂只能按照现行政策相关要求进行试验。 

  本文主要素材由国家杂交水稻工程技术研究中心提供。 

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