水稻是我國(guó)重要的糧食作物，但由于生長(zhǎng)環(huán)境的緣故受重金屬污染危害非常顯著。目前，重金屬污染在我國(guó)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(guó)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(wàn)噸以上，因此重金屬污染治理迫在眉睫。

但是我國(guó)的現(xiàn)實(shí)國(guó)情是人多地少，很多中低度重金屬污染農(nóng)田還必須從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致類似有毒“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)作物可能為解決中國(guó)重金屬污染問(wèn)題的一個(gè)相對(duì)理想的策略， 但是其是否可行及其相關(guān)理論基礎(chǔ)尚未有系統(tǒng)的研究。

北京時(shí)間今天下午，Nature Communications雜志在線發(fā)表了中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所龔繼明研究組的研究論文。文中揭示了一種關(guān)鍵植物蛋白（CAL1）通過(guò)分泌和長(zhǎng)途運(yùn)輸從而定向調(diào)控水稻營(yíng)養(yǎng)器官中重金屬鎘積累的新機(jī)制，從概念上驗(yàn)證了文中提出的“修復(fù)型”水稻培育理念，這也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)在作物中報(bào)道的與重金屬控制相關(guān)的標(biāo)志性成果。

龔繼明研究組的主要研究方向就是重金屬的植物修復(fù)機(jī)理。歸國(guó)之初他便與兄弟單位聯(lián)合，搜集了中國(guó)的代表性水稻品種并進(jìn)行了大規(guī)模的篩選。其中的臺(tái)南1號(hào)（TN1）和春江06號(hào)(CJ6)水稻在重金屬積累方面差別顯著，而且是鎘特異的，這預(yù)示著這一對(duì)水稻品種可用于分離控制鎘定向分配的基因，而且還不影響有用的必須元素的積累。

龔繼明研究組的黃婧博士和羅勁松博士通過(guò)10年的接力，最終克隆到特異控制葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中鎘積累的關(guān)鍵基因CAL1，而且發(fā)現(xiàn)了一種很有意思的機(jī)制：CAL1是一個(gè)分子量不大的植物蛋白，它在細(xì)胞內(nèi)合成后，通過(guò)特異結(jié)合鎘并將鎘從細(xì)胞內(nèi)排除到細(xì)胞外，有效降低細(xì)胞內(nèi)鎘的積累。由于其表達(dá)部位緊靠植物體內(nèi)的運(yùn)輸大通道維管束，所以這些排出到細(xì)胞外空間的鎘隨著蒸騰流運(yùn)輸?shù)搅酥参锏牡厣喜课弧?/p>

由于CAL1蛋白與鎘在細(xì)胞外還是以緊密結(jié)合的形態(tài)存在，所以鎘不能再次進(jìn)入韌皮部的細(xì)胞，而韌皮部是鎘向稻米中轉(zhuǎn)運(yùn)的重要通道，因此這種結(jié)合實(shí)際上減少了鎘通過(guò)韌皮部向水稻籽粒的再分配過(guò)程，從而只是定向調(diào)控鎘在葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中的高積累。

CAL1基因這樣的一種工作方式使得我們可以定向改造作物，讓水稻的稻草中可以積累更多的重金屬鎘，但是又不增加稻米中鎘的含量，使得我們有可能在中國(guó)面積廣大的中低度污染的農(nóng)田里安全生產(chǎn)農(nóng)作物，同時(shí)還逐步對(duì)這些農(nóng)田進(jìn)行修復(fù)，讓這些農(nóng)田在不影響生產(chǎn)的前提下逐步得到治理，最終變成清潔的生產(chǎn)用地。此外， CAL1編碼的成熟蛋白只有50個(gè)氨基酸，還有望開(kāi)發(fā)成一種人體排重金屬的多肽類藥物。

目前研究組已經(jīng)對(duì)該基因申請(qǐng)了專利保護(hù)。