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水稻镉污染?看袁隆平“放大招”

本文由中国数字科技馆与《科技生活》周刊联合制作。

采访专家:

赵炳然(湖南杂交水稻研究中心研究员)

黄大昉(中国农业科学院生物技术研究所研究员)

姜韬(中国科学院遗传与发育生物学研究所高级工程师)

林拥军(华中农业大学水稻研究专家、教授)

(导读)

近些年来,稻米镉超标已成为我国粮食安全的大问题。针对于此,中国工程院院士、美国国家科学院外籍院士、“世界杂交水稻之父”袁隆平的研究团队研究出一个突破性技术,可以把含镉或者吸镉的基因“敲除”掉。

如果该研究成果未来能够被推广应用,它将给我国大米的镉污染问题带来一个革命性的解决方案,也将有望扭转我国部分农作物重金属含量超标的趋势。但现实,似乎没那么简单……

低镉水稻面世

中国工程院院士、美国国家科学院外籍院士、“世界杂交水稻之父”袁隆平的研究团队最近又放大招了!

“近期我们在水稻育种上有了一个突破性技术,可以把亲本(一般指动/植物杂交时所选用的雌/雄性个体,也就是母本和父本)中含镉或者吸镉的基因‘敲除’掉,亲本干净了,种子自然就干净了。”9月18日,2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会在湖南省浏阳市北盛镇召开,袁隆平的声音再一次引起了不小的骚动。

(2017年8月5日,87岁的世界杂交水稻之父、中国工程院院士袁隆平来到广西灌阳黄关镇联德村的超级稻攻关示范基地查看水稻生产情况)

水稻育种居然还可以这样操作?一些人充满了狐疑。

有媒体报道称,这是继“海水稻”技术后,袁隆平研究团队最近几年获得的另一项重大突破性成果——水稻亲本去镉技术,它的做法是定点突变水稻吸收镉的基因,从而有效阻断水稻对镉的吸收,降低水稻的镉含量。

凡是对大米镉污染问题有所了解的人,都知道该项研究潜在的含金量,如果该研究成果未来能够被推广应用,它将给我国大米的镉污染问题带来一个革命性的解决方案,也将有望扭转我国部分农作物重金属含量超标的趋势。

镉通过食物链进入人体,可引起慢性中毒

在许多土壤污染较重的地区,如何避免污染元素在作物中富集,已经成为育种科学家必须考虑的问题。

我们都知道,自然界中存在着各种各样的重金属,土壤中丝毫也不能例外,然而,有些重金属却常常是多种生物体的“煞星”,它们不仅仅对土壤中生长的植物有害,也能够通过“土壤-作物-牲畜-人”等途径进入食物链,危害人类和其它动物的健康。

其中,水稻的问题尤为严重,而这个问题最早在日本曝出。

20世纪初期开始,人们发现日本富山县神通川流域的水稻普遍生长不良。1931年开始,这里又出现了一种叫“痛痛病”的怪病,开始时人们只是在劳动之后感到腰、背、膝等关节处疼痛,休息或洗澡后可以好转,可是如此几年之后疼痛遍及全身,很多人的正常活动受到限制,大喘气时都感到疼痛难忍。接着一些人的骨骼软化,身体萎缩,骨骼出现严重畸形,更严重的,一些轻微的活动或咳嗽都可以造成骨折。最后,病人饭不能吃、水不能喝,卧床不起,呼吸困难,病态十分凄惨,最终在极度疼痛中死去。

1946-1960年,日本医学界从事综合临床、病理、流行病学、动物实验和分析化学的研究人员经过长期研究后发现,“痛痛病”是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉(Cd)中毒,用这种含镉的水浇灌农田,生产出来的稻米成为“镉米”,导致镉大量积累于肾脏,对细胞造成损害,更严重的是抑制维生素D的活性,妨碍钙、磷在人体骨质中正常的沉着和储存,最终导致骨软化。


(针对镉污染“痛痛病”的危害,日本富山县进行了规模浩大的土地治理工程)

镉在体内的半衰期长达10-30年

“痛痛病”不仅在日本发生过,在其他国家也有发现,我国广西某些地区也曾有人患有“痛痛病”。“痛痛病”至今尚无特效的治疗方法,而且体内积蓄的镉也没有安全有效的排除方法。

近些年来,我国湖南、广东等地相继曝出水稻“重金属镉污染”事件。由于环保部门发现及时,妥善处置,事故总算没有造成太大的影响。但“镉米”的乌云依旧存在。

这与我国属于重金属镉大国具有很大的关系。统计显示,全世界镉储量约为50万吨,我国镉储量在全球范围内是最高的,存储量为9.2万吨,占全球总量的18.4%。

镉是炼锌业的副产品,主要用在电池、染料或塑胶稳定剂。由于应用广泛,相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境,造成污染。而土壤镉污染主要是因工业污水灌溉造成,镉主要分布在土壤表层,即便停止污灌,但镉污染仍然会持续存在。

水稻是我国种植最为广泛的农作物之一。如今,我国水稻种植面积约达4.3亿亩,总产量约1.89亿吨,杂交水稻更是攻破亩产900千克的大关。然而,由于镉比其它重金属更容易被农作物所吸附,镉含量超标已成为水稻的严重问题。


(2013年2月27日,《南方日报》以“湖南问题大米流向广东餐桌”为题,报道了湖南镉超标大米进入广东市场的消息,引发镉大米事件。图为2013年5月,湖南攸县村民在田间耕作,但相关大米厂已停止收购稻谷达数月)

2017年10月,江西省九江市柴桑区,环保志愿者田静对港口街镇丁家山村一户农民家的稻谷进行取样检测,结果显示,稻谷中的镉含量达到了1.62毫克/千克,而我国《食品安全国家标准——食品中污染物限量》规定,稻谷中镉含量的最高指标为0.2毫克/千克,也就是说超标达到8倍之多。

九江是中国传统的“四大米市”之一,港口街镇是传统的水稻种植基地,这里严重镉米污染的出现,让很多人绷紧了神经,所幸现在当地已经开始采取了一些处理措施。

对于镉污染我们丝毫不能掉以轻心。研究已经发现,镉可在生物体内富集,并通过食物链进入人体引起慢性中毒。尤为可怕的是,镉一旦被人体摄入,在体内的半衰期长达10-30年,会在人体的骨骼和肾脏等部位不断富集,引发骨质疏松、肾功能衰竭、癌症及心血管病等一系列疾病。而肾脏是镉中毒的“靶器官”,可吸收进入体内近1/3的镉。

这些年来,我国重金属镉污染正在以不同的方式悄然进行,2014年我国官方环保与土地部门联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》,报告的形成历时8年,指出镉的点位超标率占7%,是所涉无机污染物点位超标率最高的,且远高于其它化学元素。


(铅、汞、铬、砷、镉等重金属污染我们的土壤,我们的环境))

大米为何成了镉污染重灾区?

湖南杂交水稻研究中心研究员赵炳然对记者表示,水稻是容易蓄积镉的作物之一,稻田中的镉通过水稻的根系被吸收,并向上运输到茎、叶和稻米中。在我国南方稻区,酸性的红壤分布广泛,而酸性土壤中一般可以被动植物等生物体吸收利用的镉离子含量较高。此外我国南方是以籼稻为主的种植模式,研究发现相对粳稻而言,多数籼稻蓄积镉的能力更强,这都加剧了稻米中镉污染的风险。

中山大学2010年的研究显示,研究人员抽取的21个水稻品种镉的超标率达到100%。国家农业部稻米质量监督检验中心也曾对我国市场的稻米进行安全性抽检,结果镉超标率高达10.3%。更为详细的数据分析结果是:我国南方市场上稻米的镉污染比北方更严重,如江西、湖南的一些县市,稻米镉超标的问题非常突出。

水稻的镉污染因此成了必须要攻克的难关。这主要是因为在所有的粮食作物中,水稻最容易受到镉污染。而根据科学研究,这与水稻中的一些基因具有很大的关系。

研究发现,水稻可以表达一些金属转运蛋白,例如水稻根中的OsHMA2,这个转运蛋白本身的作用是将金属离子,尤其是锌转运到根部。另一个蛋白是OsNramp5,这个蛋白负责锰的吸收。然而镉和锌锰等是类似物,因此水稻也会通过这些转运蛋白将镉转入根部并在植株内富集,最终造成稻谷中胚乳镉含量上升。近几年,大米主要出产地出产的大米被污染的新闻屡见不鲜,造成了人们对大米安全的恐慌,所以政府加重了对污染的整治,但是最好的方法还是从水稻本身阻断对镉的吸收。


(2017年10月,环保志愿者田静对丁家山村一户农民家的稻谷进行取样检测。结果显示,稻谷中的镉含量达到了1.62毫克/千克。丁家山村位于江西省九江市柴桑区的港口街镇。九江是中国传统的“四大米市”之一,港口街镇是传统的水稻种植基地)

基因编辑技术给了他们全新的灵感

赵炳然表示,近些年来我国多地出现的稻米镉超标问题已成为我国粮食安全的大问题,如何解决这个问题就成了他们这些水稻研究人员的重要职责。经过不断的研究,农业科学家们曾提出很多应对稻米镉污染的多种策略,比如研发出将田中“镉”通过微生物活化后从土壤中泵出的技术;通过选育低镉品种、灌溉和调节土壤pH值到7.0以上,实现综合降镉的技术等等。但是这些技术要么具有很大的条件限制,比如种植在高镉污染稻区,其稻米中镉含量仍超出国家标准;要么在降低土壤和品种的镉含量上可行,却比较“费钱”,从经济的角度而言并没有太大的推广价值。

湖南杂交水稻研究中心的研究人员发现,筛选和培育籽粒镉低积累水稻品种是最直接与经济的办法。问题是,目前湖南省农委已经发布了一批“应急性镉低积累水稻品种”,但这些品种一旦种植在高镉污染稻区,其总镉含量达到0.9 毫克/千克以上,仍远远超过0.2毫克/千克的国家标准。

这意味着他们还得寻找新的解决办法,而这几年生物科学领域发展异常迅速的基因编辑技术——CRISPR给了他们全新的灵感。CRISPR技术的最大优势在于前所未有的精准度,它能够敲除基因组中的任何基因,或在基因组的特定位置插入基因,来为农作物导入优良性状。

一些该技术的使用者认为,这是所有植物育种方法(包括人类使用了数千年的“自然”育种技术)中生物破坏性最小的,同时还能够让科学家在很多情况下避免使用颇具争议性的引入外源性基因的转基因技术,并且这类基因编辑技术使用范围非常广,可以用来删除、添加、激活或抑制各式各类生物体的目标基因,就如同编写代码一样灵活方便。

赵炳然说,基因组编辑技术是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行修饰、改造的分子技术,其原理是人工构建一个靶向性的核酸内切酶——这也是现在生物学界研究中普遍使用的一类基因剪刀,在预定的基因组位置上精确切断DNA,而切断的DNA会被细胞本身的DNA修复系统自行修复,在此过程中会发生一定概率的突变事件,从而达到定点突变的目的。


(2014年12月1日,广西大新县五山乡三合村,受到铅锌矿重金属污染,村民出现不同程度的关节疼痛、变形等情况)

通过基因组编辑技术研发出低镉水稻

“这个过程既模拟了基因组的物理诱变和化学诱变,包括航天诱变等方法,又具有高效定点诱变基因的独特优势。” 赵炳然表示基因组编辑技术因为能够快速精准地对作物自身基因进行突变,从而得以实现对作物相关农艺性状的改良,目前已经迅速发展为作物遗传改良的重要手段。

“我们通过基因组编辑技术与水稻杂种优势利用技术,在国际上率先建立了培育低镉籼型杂交稻亲本及组合的技术体系,快速、精准地培育出不含任何外源基因的低镉籼型不育系、恢复系及低镉杂交稻组合。” 赵炳然说。

不久前,湖南杂交水稻研究中心发布消息称,该中心研发出了即便种植于高镉污染稻区,也能出“镉”而不染的杂交稻亲本品系“低镉1号”和组合“两优低镉1号”。

赵炳然团队的研究成果已经有了大田实验的支撑。他们用两年的时间在总镉含量达到1.5-2.4 毫克/千克的高镉大田进行鉴定,其糙米镉含量稳定在0.06毫克/千克以下,远低于0.2毫克/千克的国家标准和0.4毫克/千克的国际标准。

“在同样的大田中,与相同情况下的对照品种‘应急性低镉品种’相比,稻米镉含量都显著降低了。”赵炳然说。

他们开发出的水稻品种只降低镉含量,并不影响原始品种(系)的产量、品质等综合农艺性状。

9月27日,湖南杂交水稻研究中心的研究结果经南京农业大学等九单位专家组成的专家组现场评议后认为,该成果突破了常规方法筛选出的所谓“应急性镉低积累水稻品种”在高镉污染田栽培稻米依然镉超标的技术瓶颈,可望从根本上解决“镉大米”问题,且是经济、实用、安全的。

低镉水稻中的生物学秘密

“低镉水稻”之所以能够培育成功,这与其体内的重金属转运蛋白具有很大的关系。

植物学家们研究发现,植物重金属转运蛋白在植物吸收、抵抗重金属的复杂机制中起着关键作用,其分为吸收蛋白和排出蛋白。其中,吸收蛋白转运必需重金属进入细胞,同时也会因为必需重金属的缺乏或离子之间的竞争而运载有毒重金属,而镉米中的镉就是以这样的方式进入稻米之中的。而排出蛋白是一类解毒蛋白,可将过量的或有毒的重金属逆向转运出细胞,或被分隔在细胞的液泡中。


(镉元素。镉的毒性较大,被镉污染的空气和食物对人体危害严重,且在人体内代谢较慢)

一个叫做OsNramp5的吸收蛋白基因是罪魁祸首

这些年来,在世界各国科学家们的努力下,包括吸收蛋白和排出蛋白在内的细胞内的多种重金属转运蛋白已经被揭示出来,这为寻找和开发重金属富集能力强和能力弱的植物都提供了重要的基础条件。

基于吸收蛋白的研究,近些年一些重金属富集能力强的植物已经在土壤修复及生态治理方面立下了汗马功劳。

袁隆平所带领的研究团队基于对植物重金属转运蛋白的了解,他们的想法是,为了应对镉米污染,能不能开发出对重金属镉富集能力弱的水稻品种,突破的关键就在于从基因上做文章。

在研究中,赵炳然等研究人员发现,之所以很多水稻品种对重金属镉的富集能力强,一个叫做OsNramp5的吸收蛋白基因是罪魁祸首,因此解决问题的核心办法就是解决这个基因的问题,而这些年已经成熟的基因组编辑技术CRISPR/Cas9为相应水稻的基因组进行相应的手术提供了可能。于是,他们以目前已在我国大面积应用的两种杂交稻骨干亲本华占和隆科638S为材料,通过基因组编辑技术CRISPR/Cas9,定点突变了OsNramp5,从而有效阻断水稻吸收镉的过程,新培育出来的品种也就是“低镉1号”和杂交组合“两优低镉1号”。

当然,基因组编辑技术也存在同时造成基因组非靶标基因以外的其它基因突变的可能性。赵炳然表示,即使在通过基因组编辑技术获得目的基因突变又同时含有其它基因变异的情况下,也可以通过杂交、回交等常规方法进一步获得只有目的基因发生了变异、基因组背景与原始品种一样的材料。


(CRISPR 位点结构图。水稻亲本去镉技术的核心就是利用了CRISPR/Cas9 基因组编辑技术 图片来自网络)

这种技术会影响水稻的生长发育吗?

锰是植株必需的微量元素,可能很多人会担心OsNramp5突变导致的降锰效应可能影响水稻的生长发育,赵炳然他们自然也想到了这个问题,并进行了专门的研究,结果表明,大于100 毫克/千克的茎叶锰含量,已能满足低镉水稻生长发育的需求。

此外,实验还发现,“低镉1号”水稻在地上部分锰含量为12 毫克/千克的情况下,长势和没有实施OsNramp5基因定点突变的华占水稻相比并无明显差异,这说明“低镉1号”可耐受一定程度的低锰条件,也就是说就算“低镉1号”因为镉吸收降低锰元素吸收也被波及,也不会给水稻的生长发育带来麻烦。

赵炳然表示,在未来几年的时间内,他们还要围绕低镉水稻进行一系列的实验,比如在高镉污染稻区,进行“低镉1号”和“两优低镉1号”不同土壤与生态类型、不同栽培方式的试验,评价降镉效果,同时考察产量和米质相关性状,进行“低镉1号”和“两优低镉1号”的不同低锰水平的大田试验,确认低镉水稻正常生长所需土壤中锰的临界浓度,从而用于指导低镉品种的栽培等。当然,培育出更多品种的大批量低镉杂交稻和常规稻也是他们的重要任务,将来如果被广泛推广种植、尤其是镉污染严重地区普遍种植,将会为我国解决严重的镉米污染问题开辟出一条全新的道路。

中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉在接受记者采访时表示,尽管截至目前他还没有看到“低镉水稻”的有关详细研究材料,但是从公开的信息来看,他们使用了基因编辑技术,将水稻中对镉吸附能力强的基因敲出,但是低镉水稻中并没有外源性的基因,这种新技术应该是具有广阔的市场前景的。

为何低镉水稻不能当成转基因产品管理?

在研发低镉水稻的过程中,由于转入了Cas9等外源基因,湖南杂交水稻研究中心研究员赵炳然说这意味着基因组编辑技术借助了转基因技术,但是转入的Cas9等外源基因和突变基因在突变体的后代自交群体中会发生分离,并且一部分突变单株不含有外源基因,只要一年两代繁育筛选后,就可得到不含任何转基因成分的突变植株。而后通过分子检测,就可快速筛选到不含任何外源基因的种子。

“而后经3家机构检测,证明‘低镉水稻’均未检测出转基因成分。专家组成员也全程参与,监督了从取样、晒样、分装到送农业部资质机构检测全过程。”赵炳然表示。


(图片来自网络)

低镉水稻目前在我国被当成转基因产品管理

与传统的转基因技术相比较,基因组编辑技术与之从程序、结果上有本质上的不同,传统意义上的转基因是做“加法”,转移外源有利性状基因到作物中,而基因组编辑技术是做“减法”,突变作物自身不利性状基因。

中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉说,尽管来源可靠、通过安全性认证的转基因作物也是安全的,但是由于涉及到外源性基因的转入,很多人对其有疑虑,这也是这些年转基因技术及作物备受争议的重要原因,而“低镉水稻”中完全没有外源性基因,可以打消很多人对其安全性的疑虑,因此推广发展应该比转基因作物顺畅一些。

袁隆平研究团队目前面临的一个障碍是,鉴于基因组编辑技术是一项涉及转基因过程的新技术,为慎重起见,我国目前暂时是把这类材料当作转基因进行管理的。

因此,赵炳然他们关于“低镉水稻”研究就得严格按照农业部批复的“中间试验”,即在完全符合隔离条件的湘潭等3个有限的试验田进行的试验。但没有外源基因的“低镉水稻”,如果持续按照“转基因”材料管理,一个潜在的问题是:与其它“转基因”材料一起种植在转基因试验田,存在被周边其它“转基因水稻”污染成“转基因水稻”的风险。


(根据《种子法》等的相关规定,转基因主粮要进行商业化种植需先取得安全证书,再获得品种审定证书、种子生产许可证和经营许可证等商业化许可证书,方能进行。图为华中农业大学的科技人员展示的转基因水稻与普通水稻)

在美国使用这种技术不需要特别或长期管制审查

“低镉水稻”对我国农业发展提出了一个新的课题:对于没有外源性基因转入、但是使用了基因编辑技术的各类作物该怎么实施管理?

近几年,美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校的植物病理学家杨亦农教授就利用基因编辑技术培育出一款不会变褐的蘑菇,他带领的团队利用CRISPR技术对一种常见的食用菇——双孢菇进行了基因组编辑,使其抗褐变,这样的蘑菇更宜于消费者储存,因此可以减少因蘑菇变色而带来的浪费。2016年4月,这种蘑菇成为了美国第一个被批准上市的基因编辑农产品。美国农业部认为杨教授的蘑菇并没有触发监管程序,因为它并不含有外源DNA,这种经过编辑的蘑菇并不需要特别或长期的管制审查。

到目前为止,尽管美国农业部针对不含外源基因的基因编辑作物怎么管也还没有一个清晰的办法,态度也还没有完全明朗,但是已经形成的一个基本共识是:并非所有经过基因编辑的农作物都需要像转基因作物一样接受严格的监管。

我国的相关法律法规也需要进行调整

黄大昉告诉记者,近几年我国农业部也正在针对基因编辑作物的管理进行相关调研和判断。

黄大昉也表示,单纯进行基因编辑的作物有别于转基因作物,是可以单独进行管理的。现在基因编辑技术发展的很快,对于实验操作中没有使用外源性基因、被证实不存在基因编辑时出现“脱靶效应”的作物,管理就应该从简,这有利于技术的发展。

无外源性基因编辑农作物管理从简也得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所高级工程师姜韬的赞同。他对记者表示,用于农作物育种的生物技术本身的安全性,而不仅仅是各个转基因产品,已经为科学界证实,并最早在欧盟转基因报告中正式公布:生物技术育种本身并不比传统育种更有风险。

“我们希望国家一方面尽快出台新的有关基因组编辑技术的政策,另一方面也可针对‘低镉水稻’试验、示范要求,提供适于推进“低镉水稻”产业化的“先行先试”的管理办法。”赵炳然表示。

根据我国2001年5月开始施行的《农业转基因生物安全管理条例》,农业转基因生物,是指利用基因工程技术改变基因组构成,用于农业生产或者农产品加工的动植物、微生物及其产品。这意味着未来基因编辑农作物要进行单独管理,我国的相关法律法规也需要进行调整。

另外对管理者而言,所存在的一个困扰是基因编辑技术无法完全和转基因相割裂。华中农业大学水稻研究专家林拥军教授表示,尽管通过基因编辑技术,最终的结果没有外源性的基因,但是过程是通过转基因方法实现的,它无法完全撇开与转基因的关系。


(水稻与转基因技术一直以来争议不断。2013年09月,61名院士曾上书领导人请求转基因水稻产业化)

按转基因管理基因编辑,“低镉水稻”没有任何优势

黄大昉告诉记者,“低镉水稻”的未来究竟怎么样,还需要进一步研究才能做出更好的判断。

林拥军表示,目前国内有不少研究团队都在研究基因编辑水稻技术,他也是其中之一,但是对于“低镉水稻”这项技术的价值,他表示仍要经过一些大田试验的检验。

通过基因编辑技术育种,最明显的优势是时间很快,如果是用常规杂交的方法,要得到性状稳定的种子,一般都需要两三年甚至三四年的时间,但是使用基因编辑技术一步就可以到位,当然前提是你要对目标作物基因组的整个功能性状和代谢途径等内在机制认识非常清晰。但是林拥军认为,如果过分夸大基因编辑技术在育种中的作用,这是不恰当的,基因编辑技术能做很多事情,但是它不是万能的。

还有一个问题是,“如果是按管理转基因产品的方式管理,基因编辑技术没有任何优势,很多人想着用这种基因编辑的产品去代替发展转基因产品,这是不可能的,这是因为目前基因编辑主要是编辑自身的基因,把一个处于表达状态的基因变成不表达的,或者改变一段基因的结构,它难以做到根本性的创新,而转基因转入了外源基因,创新是巨大的。”林拥军说,这意味着如果要对一个农作物进行根本性的改良,基因编辑肯定不如转基因。

另外,一些专家认为,对中国严重的镉米污染最为关键的还是解决环境问题,如果环境中镉污染非常严重,水稻就是敲掉了对镉吸附能力强的基因,也不能变成金刚不坏之身。

记者/李鹏 编辑/刘昭 供图/视觉中国(除署名外)

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[责任编辑:王世继]
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