鎘是一種高毒性重金屬，它可積累于人體的多個器官 （特別是肝和腎），即使是低劑量地長期攝入也會造成嚴重后果，例如使人患上癌癥或其他疾病。水稻是全球半數(shù)人口的主要糧食，它同時也是人類鎘攝入的主要來源。2013年的一篇新聞報道指出，在廣東抽檢的大米中，近半數(shù)的鎘含量都超過國家標準。

       為解決水稻鎘積累問題，中國科學院華南植物園轉(zhuǎn)基因中心副研究員王昌虎等人在研究員區(qū)永祥的指導(dǎo)下開展相關(guān)科學研究。2016年，王昌虎等發(fā)現(xiàn)，在水稻中過表達OXS3 （氧化脅迫3基因） 的家族成員OsO3L2和OsO3L3的截短片段不但可以降低根和葉中的鎘吸收，而且能顯著降低種子中鎘的積累 （Wang C et al. 2016. Molecular Plant 9:301-304）。由于該發(fā)現(xiàn)在抗鎘積累的水稻分子育種中具有顯著的應(yīng)用價值，相關(guān)的多肽和基因在2018年獲得了中國發(fā)明專利的授權(quán)。

       鑒于獲取組成型過表達OsO3L2和OsO3L3全長基因的植株非常困難，所以在以往的試驗中并未涉及相關(guān)的功能研究，為了檢驗OsO3L2和OsO3L3截短序列的抗鎘功能是來自該基因本身，還是源自人為截短基因，最近王昌虎等嘗試用誘導(dǎo)性表達的方式對這兩個基因的全長序列進行了功能研究。結(jié)果表明，跟截短序列一樣，過表達OsO3L2和OsO3L3全長序列可以在不影響錳、鐵、銅和鋅等重要金屬元素的含量下，明顯降低米粒中的鎘含量 （圖1），這便明確了水稻抗鎘功能是來自于這兩個基因的本身。同時也發(fā)現(xiàn)全長基因的表達轉(zhuǎn)化率顯著低于截短片段，提示該基因過表達量過高可能致死轉(zhuǎn)基因系。此外，OsO3L2 和OsO3L3 的細胞和組織學定位結(jié)果顯示，這兩個蛋白是維管束細胞中與組蛋白H2A互作的一類核蛋白（圖2），由此推測，它們很可能通過與H2A互作而改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，進一步調(diào)控下游的基因表達，從而減少水稻中的鎘積累。

       相關(guān)研究成果已發(fā)表于歐洲生物技術(shù)聯(lián)盟（the European Federation of Biotechnology （EFB））雜志New Biotechnology（2019. 48: 29-34）上。研究曾獲得國家重點研發(fā)計劃項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學基金、廣東省科技計劃項目和廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項資金項目的資助。

　圖1. 轉(zhuǎn)基因株系的金屬元素含量。在1.5 mg Cd/kg （干重） 的土壤中生長的水稻米粒中的 （A） 鎘、（B） 錳、鐵、銅和鋅含量。** :p < 0.01, 差異性極顯著。

圖2. OsO3L2和OsO3L3的細胞和組織學定位。（a） pO3L2-GUS和 （b） pO3L3-GUS T0代植株側(cè)根根毛的GUS染色。（c） po3l2-gus轉(zhuǎn)基因植株的小側(cè)根的縱切面。（d） 有根毛的側(cè)小根的橫截面：染色信號從中柱延伸到根毛。（e）葉鞘周圍莖基區(qū)的基節(jié)橫截面。（f） 為韌皮部特異信號 （e） 的放大圖。（g）在種子中的糊粉層和外殼上都有較深的GUS染色。（h） 連接小穗和子房的組織中有較深的GUS染色。（i） oso3l2:dsred和（j） oso3l3:dsred在洋蔥表皮細胞中與組蛋白h2a:gfp共定位。