我國耕地面積約20%受到鎘,、砷、鉛等重金屬污染,，每年造成的糧食減產(chǎn)和污染分別達到千萬噸以上,。由于我國人多地少,，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)，導致類似“鎘大米”事件時有發(fā)生,。能否使得水稻可食用部位的重金屬含量安全,，同時在秸稈等部位讓重金屬高積累，從而逐步修復農(nóng)田呢,？
解放日報·上觀新聞記者獲悉,，2018年2月13日，《自然·通訊》在線發(fā)表了中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所龔繼明研究組的一項科研成果,。該論文揭示了一種關(guān)鍵植物蛋白（CAL1）通過分泌和長途運輸從而調(diào)控水稻中重金屬鎘積累的新機制,，從概念上驗證了“修復型”水稻的培育理念，這也是國內(nèi)第一個報道的作物重金屬控制的標志性成果。
大膽地提出了“修復型作物”這一相對理想的策略
鎘是我國比較常見的一種重金屬污染物,，也是強致癌物質(zhì),，其毒副作用導致的后果往往幾十年后才會顯現(xiàn)出來。上世紀在日本發(fā)生的著名的“痛痛病”事件,，正是由于人們長期食用鎘超標大米導致了鎘中毒,。由于施肥、污水灌溉以及采礦的影響,，耕地在我國和廣大發(fā)展中國家受到較大范圍的污染,。重度污染的土地往往顆粒無收，而中輕度污染土地上種植的作物,，除了不易發(fā)現(xiàn)的鎘超標外無其它警示癥狀,，所以迫于人多地少的壓力，我們無法將這些土地專門用于修復,，往往還需要進行高強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，因此其潛在的危害性更大。
既保證糧食生產(chǎn)安全,，又同時逐步修復被污染的農(nóng)田,，能否解決這一兩難困境呢？2006年龔繼明從美國回來,，大膽地提出了“修復型作物”這一相對理想的策略,。之所以說其“大膽”，因為當時全世界尚未有相關(guān)的系統(tǒng)理論研究,，而且一般而言如果水稻的葉片秸稈重金屬含量較高,，其稻谷的重金屬含量也會相應偏高。
龔繼明研究組把重金屬的植物修復機理作為了主要研究方向,。歸國之初即通過與兄弟單位聯(lián)合,，在我國搜集了能夠代表70%中國水稻資源的代表性品種并進行了大規(guī)模的篩選。他們發(fā)現(xiàn),，臺南1號和春江06號水稻在重金屬鎘的積累方面差別顯著,，前者是后者鎘積累的3到4倍，而且其它必須元素的積累還沒有顯著的差異,，這預示著這一對水稻品種可用于分離控制鎘定向分配的基因,，并且不會影響其他有用的必須元素的積累。接下來,，他們需要尋找到控制這一表型的靶點基因,。
10年努力，發(fā)現(xiàn)并克隆關(guān)鍵基因
通過10年的接力,，龔繼明研究組的黃婧博士和羅勁松博士最終克隆到了特異控制葉片等營養(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制：CAL1是一個分子量不大的植物蛋白,，它在細胞內(nèi)合成后，通過特異結(jié)合鎘并將鎘從細胞內(nèi)排除到細胞外,，有效降低細胞內(nèi)鎘的積累,。
“把鎘從細胞內(nèi)帶出來并不容易，CAL1就像是鎘的一層包裝,，把鎘裹挾著帶出了細胞,，就像是一次排毒?！饼徖^明研究員告訴解放日報·上觀新聞記者,。由于其表達部位緊靠植物體內(nèi)的運輸大通道維管束，這些排出到細胞外空間的鎘隨著蒸騰流運輸?shù)搅酥参锏牡厣喜课??？蓜e小看了這個蒸騰流，它就像是植物的一個“泵”,。由于CAL1蛋白與鎘在細胞外還是以緊密結(jié)合的形態(tài)存在,，使得鎘不能再次進入韌皮部的細胞，韌皮部是鎘向稻米中轉(zhuǎn)運的重要通道,，因此這種結(jié)合實際上阻止了鎘通過韌皮部向水稻籽粒的再分配過程,，從而只是定向調(diào)控鎘在葉片等營養(yǎng)器官中的高積累。
“CAL1基因這樣的工作方式使得我們可以定向改造作物,，讓水稻的秸稈中可以積累更多的重金屬鎘,，但又不增加稻米中鎘的含量，使得我們有可能在中國面積廣大的中低度污染的農(nóng)田里安全生產(chǎn)農(nóng)作物,，讓這些農(nóng)田在不影響生產(chǎn)的前提下逐步修復,，最終變成清潔的生產(chǎn)用地?！贝送?， CAL1編碼的成熟蛋白是一個比較小的分泌蛋白，有望開發(fā)成一種人體排重金屬的多肽類藥物,。目前研究組已經(jīng)對該基因申請了專利保護,。
此論文是龔繼明研究團隊“修復型水稻的遺傳基礎(chǔ)”的系列論文之一,，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所羅勁松博士,、黃婧博士和中國水稻研究所曾大力研究員為論文共同第一作者，龔繼明研究員和錢前研究員為共同通訊作者,。