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【推荐】日本发现基因致水稻易吸收镉与锰金属

发布时间:2023年01月16日    点击:[1]人次

2007年,南京农业大学农业资源与生态环境研究所教授潘根兴及其研究团队,在全国六个地区(华东、东北、华中、西南、华南和华北)县级以上市场随机采购大米样品91个,检测结果表明:10%左右的市售大米镉超标。这篇后来发表在《安全与环境》杂志的论文,也成为2011年“镉米危机”的来源。

镉是一种剧毒金属元素,会对人的呼吸系统和生殖系统造成巨大的破坏,还能损伤肾脏和骨骼。1950年,日本富山县出现了集体镉中毒事件。镉中毒会让患者觉得极度疼痛,因此被一些医生称为“痛痛病(itai-itaidisease)”。经过调查,这些患者是吃了被污染的稻米以后才中毒的。富山县附近长期以来存在很多矿场,这些矿场把镉排进河流里,被河水灌溉的水稻就会吸收积累镉,成为“毒米”。最近几年,台湾和广西也先后出现水稻被镉污染的事件,引起了社会恐慌。

对于一个远离工业生产第一线的普通人来说,最大的摄入镉元素的途径来自大米食物。稻米本身不需要镉这种重金属元素,却很爱把镉从土壤中吸收进植株里。潘根兴的研究团队就发现,中国南方酸性土壤种植超级杂交稻比常规稻更易吸收镉。

长期以来,不同领域的生物学家注意有一类基因可以编码运输金属离子的蛋白质。他们把这一大类基因命名为Nramp。

最近,日本冈山大学的教授马建锋和他的研究团队分析亚洲水稻(Oryzasativa)中一个Nramp基因的功能,这个基因在家族里排行第五,所以名为Nramp5。马建锋和他的同事们发现,Nramp5基因可以赋予水稻吸收锰和镉的能力。随后,他们的研究结果被发表在了植物学的著名期刊《植物细胞(ThePlantCell)》上。

Nramp5基因可以编码一个类似“水泵”一样的蛋白质,不过这个蛋白质不是向植物体内泵水,而是泵入金属元素。Nramp5主要在植物的根部出现—这一点都不奇怪,毕竟根才是植物从土壤中吸收各种营养的器官。为了进一步研究Nramp5的功能,研究人员通过一些生物技术把这个基因从水稻的体内“敲除”了。在失去了Nramp5基因以后,水稻中的镉含量出现了惊人的下降,还不到原来的十分之一。

从生物技术的角度来说,只要种植这种不含Nramp5基因的水稻,就可以有效地解决水稻中镉富集的问题。做到这点并不难—缺失吸镉基因的品种已经在实验室里出现了。但是,这种方法却行不通。因为研究人员发现,Nramp5不仅会把土壤中的镉吸入大米植株,还担负着吸收其他必需金属元素的任务。如果简单地把Nramp5敲掉,大米固然不会吸镉,但是摄取锰元素的能力也被破坏了。锰和镉不同,可以帮助很多植物体内的酶执行不同的功能,所以是水稻的必需元素。实验表明,缺少了Nramp5的水稻的产量比正常水稻降低了近90%。

为了减少水稻中的镉而在产量上做出如此大的牺牲显然是不能接受的,所以,科学家下一步希望仅仅改变Nramp5通道的选择性,让它只吸收植物必须的锰,而把对人体有害的镉拒之门外。要做到这点并不容易,需要对这个蛋白质通道有更加深入透彻的了解才行,科学家们还有更多的工作要做。

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