南京农业大学赵方杰团队运用遗传学方法打开水稻降砷解毒“阀门”

导  读

近日，南京农业大学赵方杰团队在New Phytologist在线发表了题为“Decreasing arsenic accumulation in rice by overexpressingOsNIP1;1 andOsNIP3;3 through disrupting arsenite radial transport in roots”的研究论文。该研究发现一种通过调控水稻水通道蛋白NIP1;1和NIP3;3的作用机制，来降低水稻中有毒元素砷含量的新方法。

来源：南京农业大学资源与环境科学学院网站（2018年5月16日）

图1. 过量表达水通道蛋白OsNIP1;1降低砷向木质部的装载和在水稻地上部及籽粒砷积累（a, b, c）、及其作用模式图（d）。

什么是砷，砷和水稻有什么关系？砷的化合物通常都有毒，通常说的砒霜，就是三氧化二砷。所有土壤都含有一定量的砷，有些是土壤自然形成过程带来的，有些是人为污染带来的。赵方杰告诉记者，水稻对砷有较强的吸收能力，稻米是我国及亚洲其它国家人口无机砷摄入的最主要来源，目前我国部分地区的稻米无机砷含量超标，对食用者健康有潜在风险，降低水稻砷积累对农产品质量安全具有重要意义。

砷是怎么进入水稻并发挥作用的呢？赵方杰介绍说，在传统的稻田淹水还原的耕种条件下，土壤中砷就会还原为三价的亚砷酸，有效性大幅度升高，成为容易被水稻吸收的化学形态。三价砷通过硅的转运蛋白Lsi1和Lsi2被水稻根系吸收。Lsi1和Lsi2就像一组勤快的“运输队”，将硅和三价砷同时从水稻的根部外层细胞向中心的部位运输，就像是水泵将水从低处向高处的“大坝”输送。以往通过突变Lsi1或者Lsi2基因能降低水稻中的三价砷含量，但这种方法也会降低水稻中硅的含量，从而造成水稻减产。

赵方杰团队的研究人员发现，水稻水通道蛋白NIP1;1和NIP3;3均具有运输三价砷的能力，同时对硅的运输能力较弱。研究人员通过对这两种蛋白的基因进行遗传操作，在三价砷和硅被运输到“大坝”的过程中，打开了另一扇“泄洪”阀门，使得三价砷通过这扇阀门单独排出，达到“降砷”的目的，同时对水稻中硅含量和产量没有显著影响。

该研究由南京农业大学作物遗传育种和种质创新国家重点实验室赵方杰教授团队与日本冈山大学马建锋教授、英国John Innes Centre的Anthony Miller教授团队合作完成。博士研究生孙晟凯为论文第一作者，赵方杰教授为本文通讯作者，南京农业大学是第一完成单位，相关工作得到国家自然科学基金国际合作项目、公益性行业（农业）科研专项和教育部创新团队资助。

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