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基因中心副研究員王昌虎等人在研究員區(qū)永祥的指導下開展相關科學研究。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用價值，相關的多肽和基因在2018年獲得了中國發(fā)明專利的授權。

       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基因系。此外，OsO3L2 和OsO3L3 的細胞和組織學定位結果顯示，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互作而改變染色質的結構，進一步調控下游的基因表達，從而減少水稻中的鎘積累。

       相關研究成果已發(fā)表于歐洲生物技術聯(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用型科技研發(fā)專項資金項目的資助。

　圖1. 轉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代植株側根根毛的GUS染色。（c） po3l2-gus轉基因植株的小側根的縱切面。（d） 有根毛的側小根的橫截面：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。