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從左至右分別為田間收獲的水稻野生型（左一、二）、雜合突變體和純合突變體（右一、二）。南京農(nóng)大供圖

■本報(bào)記者 李晨

水稻比其他禾谷類(lèi)作物更容易積累砷，導(dǎo)致以稻米為主食的人們?nèi)菀资艿缴榈耐{。與此相反，作為人體必需的有益微量元素，硒在稻米中的含量往往較低，無(wú)法滿(mǎn)足人體健康的需求。

近日，《自然—通訊》在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授趙方杰團(tuán)隊(duì)最新篩選到的一個(gè)耐砷富硒水稻突變體。他對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)：“控制稻米對(duì)砷的積累對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人體健康具有重要意義，而提高稻米的硒含量則對(duì)改善人體硒營(yíng)養(yǎng)狀況至關(guān)重要?！?/p>

通過(guò)研究這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的突變體，科學(xué)家有望培育出耐砷富硒、更安全健康的水稻新品種。

水稻易吸收砷，硒含量較低

水稻是人類(lèi)最為主要的糧食作物之一，養(yǎng)活了世界將近一半的人口。

中國(guó)科學(xué)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）研究員晁代印在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，砷是一種在土壤中廣泛存在的類(lèi)金屬，對(duì)生物的毒性很強(qiáng)。水稻生長(zhǎng)的淹水環(huán)境使得土壤中的重金屬砷容易以三價(jià)的亞砷酸鹽形式存在，這一形式的砷非常容易被水稻吸收必需營(yíng)養(yǎng)硅所使用的運(yùn)輸?shù)鞍渍`運(yùn)。因此水稻比其他禾谷類(lèi)作物更容易積累砷。

與砷相反，硒是人體必需的微量元素，對(duì)增強(qiáng)人體免疫功能和抗氧化延緩衰老有重要作用。全球?qū)⒔?/4的稻米硒含量偏低，約有近10億人硒攝入量不足。中國(guó)有一個(gè)橫跨東北到川藏的缺硒帶，大約1億人生活在這個(gè)地帶。如果能夠提高稻米的硒含量，對(duì)人體健康大有好處。

因此，“在環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重、人民對(duì)健康的追求日益提升的當(dāng)下，降低稻米砷含量、提高硒含量，對(duì)于改善稻米品質(zhì)、促進(jìn)食品安全和人體健康，不僅意義重大，而且非常急迫?！?晁代印表示。

這也是趙方杰團(tuán)隊(duì)篩選水稻突變體庫(kù)中4000多個(gè)單株，希望找到耐砷的水稻突變體的初衷。“水稻有大約5萬(wàn)個(gè)基因，我們想知道哪個(gè)基因跟耐砷有關(guān)?！?/p>

趙方杰介紹，為了開(kāi)展水稻遺傳和基因功能的研究，對(duì)水稻種子進(jìn)行化學(xué)或輻射誘變，使得其遺傳物質(zhì)DNA發(fā)生一些隨機(jī)突變，用誘變后的種子種植，成熟后單株分開(kāi)收獲，叫做突變體庫(kù)，一般上萬(wàn)個(gè)單株分開(kāi)收獲種子。

對(duì)這些突變體庫(kù)的種子重新種植，觀察其生長(zhǎng)狀況等表型。在這項(xiàng)研究中，主要看對(duì)有毒砷的耐性和未突變的原品種相比有沒(méi)有改變。

論文第一作者孫晟凱告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，突變體是他篩選到的。因?yàn)檎Ｋ驹谏樘幚硐率艿蕉竞?，所以?dāng)用砷溶液處理水稻幼苗時(shí)，根的生長(zhǎng)會(huì)變慢，表現(xiàn)為比對(duì)照組的根更短。

他發(fā)現(xiàn)，這一突變體的根長(zhǎng)并沒(méi)有受到溶液中添加的砷的影響?！斑@是一個(gè)更加耐砷的突變體，我們稱(chēng)它為astol1，具有半顯性的特征?！壁w方杰說(shuō)。

一般而言，采用誘變方法得到的突變體大多數(shù)是隱性突變，意味著突變之后那個(gè)基因喪失了功能。顯性突變體比較少見(jiàn)，往往意味著突變之后那個(gè)基因獲得了功能。而半顯性突變體指雜合體的表型比純合突變體稍微弱一些，往往意味著基因的劑量效應(yīng)。

突變體既耐砷又富硒

經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)，astol1突變體耐砷的原因是它的半胱氨酸和植物螯合肽合成增加了。孫晟凱說(shuō)，植物螯合肽是一種多肽，由半胱氨酸合成。以往研究已經(jīng)證明，植物螯合肽會(huì)與砷發(fā)生緊密的結(jié)合，從而降低砷對(duì)水稻植株的毒性。

“astol1突變體能夠合成更多的植物螯合肽，也就更加耐砷。但它為什么會(huì)合成更多的半胱氨酸和植物螯合肽，這是本研究要解決的關(guān)鍵問(wèn)題?！壁w方杰說(shuō)。

孫晟凱說(shuō)，半胱氨酸是含硫的氨基酸，對(duì)所有生物都很重要。植物吸收硫酸鹽，先把硫酸鹽還原，再合成半胱氨酸，通常叫做硫的吸收代謝途徑。如果該途徑得以加強(qiáng)，可以合成更多半胱氨酸和植物螯合肽，耐砷能力也會(huì)提高。

晁代印解釋道，在astol1突變體中，半胱氨酸合酶第189位絲氨酸（S）突變成了天冬酰胺（N）。該突變雖然導(dǎo)致這個(gè)蛋白喪失了合成半胱氨酸的能力，但卻增強(qiáng)了它的伙伴絲氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，進(jìn)而提高了相關(guān)產(chǎn)物O—乙酰絲氨酸（OAS）的積累。

“硫和硒在元素周期表中處在同一主族的上下位置，意味著化學(xué)性質(zhì)很相似。”趙方杰說(shuō)。因此，植物吸收硫的時(shí)候，也會(huì)通過(guò)同一途徑吸收硒，并且把硒誤會(huì)為硫，合成含硒的半胱氨酸。

作為調(diào)控硫/硒代謝的關(guān)鍵信號(hào)物質(zhì)，OAS增強(qiáng)了水稻對(duì)硫和硒的吸收與同化，進(jìn)而提高了水稻體內(nèi)硫和硒含量，同時(shí)也促進(jìn)了包括半胱氨酸和植物螯合肽等含硫有機(jī)化合物的合成和積累。

“而這些含硫有機(jī)物不僅能夠結(jié)合三價(jià)砷，使得砷對(duì)植物的毒害能力減弱，還能在結(jié)合三價(jià)砷之后被植物運(yùn)進(jìn)根部的液泡，進(jìn)而限制砷向地上部的運(yùn)輸，最終形成稻米低砷、高硒的表型?！标舜”硎?。

在astol1突變體中，耐砷和富硒是有必然聯(lián)系的，這兩種情況都是由于上述半胱氨酸合酶的一個(gè)氨基酸殘基突變引起的。在其它情況下，兩者不一定有聯(lián)系。“應(yīng)該說(shuō)，astol1突變體是非常罕見(jiàn)的，正好就在那個(gè)酶蛋白的那個(gè)氨基酸殘基上發(fā)生了突變，這種概率很低，才有了一系列相聯(lián)系的表型?！壁w方杰說(shuō)。

不僅水稻是如此

有意思的是，細(xì)菌、植物、動(dòng)物都需要合成半胱氨酸，都含有半胱氨酸合酶這類(lèi)酶，而且這些酶的氨基酸序列有很多相同之處。

趙方杰解釋道，比如水稻半胱氨酸合酶第189位是絲氨酸，其它植物和細(xì)菌的相同位置也是絲氨酸，而在擬南芥中這個(gè)位置變?yōu)榈?02位。

當(dāng)他們把擬南芥的半胱氨酸合酶基因克隆出來(lái)，并把第102位編碼絲氨酸改為編碼天冬酰胺時(shí)發(fā)現(xiàn)，這一定向突變后的酶也表現(xiàn)出跟水稻突變體的半胱氨酸合酶相同的生化特性。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果半胱氨酸合成過(guò)多，也會(huì)影響代謝平衡，影響水稻生長(zhǎng)?！霸谶@項(xiàng)研究中，水稻半胱氨酸合酶基因只有一個(gè)拷貝發(fā)生突變的雜合突變體長(zhǎng)得更好，而兩個(gè)拷貝都突變的純合突變體長(zhǎng)得不好，這說(shuō)明純合突變體中突變的半胱氨酸合酶基因劑量過(guò)高?！壁w方杰說(shuō)。

他認(rèn)為，解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法，是在純合突變體中，通過(guò)轉(zhuǎn)基因的辦法增加未突變的半胱氨酸合酶的劑量，就可以逆轉(zhuǎn)對(duì)純合突變體生長(zhǎng)的不良影響。

“這是一個(gè)挺復(fù)雜的遺傳—分子生物學(xué)—生物化學(xué)—植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的故事。”趙方杰介紹，通過(guò)定向突變可以打開(kāi)水稻硫、硒吸收代謝的開(kāi)關(guān)，達(dá)到耐砷、稻米降砷和富硒的多重效果，將來(lái)可以通過(guò)育種或轉(zhuǎn)基因的辦法加以利用。

“這一研究成果為解決水稻高砷低硒的難題提供了一個(gè)鼓舞人心的方案?！标舜≌f(shuō)，該基因的定向突變對(duì)于其它作物也有非常重要的啟示。同時(shí)，該研究結(jié)果對(duì)于理解植物不同微量元素間互相影響的分子機(jī)制也提供了新的認(rèn)識(shí)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21282-5