近日，趙方杰教授團(tuán)隊(duì)在《New Phytologist》在線發(fā)表了“Biofortifying multiple micronutrients and decreasing arsenic accumulation in rice grain simultaneously by expressing a mutant allele of OAS-TL gene”文章，發(fā)現(xiàn)通過(guò)表達(dá)一個(gè)功能獲得型水稻OAS-TL突變基因，同步實(shí)現(xiàn)了稻米降砷與多種必需營(yíng)養(yǎng)元素生物強(qiáng)化。

 

　　水稻是全球一半以上人口的主食，然而稻米中有毒元素砷含量往往較高，而人體必需的微量元素（如鋅、鐵、硒）含量較低，全球超過(guò)20億人微量營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入不足，造成隱性饑餓。因此，提高稻米中必需營(yíng)養(yǎng)元素含量并降低砷積累，對(duì)于改善人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)和健康具有重要意義。

 

　　該實(shí)驗(yàn)室先前的研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)水稻質(zhì)體定位的O-乙酰絲氨酸（硫醇）裂解酶（OAS-TL）突變等位基因（astol1），其編碼蛋白第189位氨基酸由絲氨酸突變?yōu)樘於０?，該蛋白通過(guò)增強(qiáng)半胱氨酸合酶復(fù)合體（CSC）的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)半胱氨酸（Cys）的生物合成（Sun et al., 2021）。突變體對(duì)砷的耐性增強(qiáng)，而籽粒砷積累減少。然而由于純合突變體Cys的過(guò)度積累，導(dǎo)致生長(zhǎng)受抑制，而雜合突變體在田間條件下生長(zhǎng)正常，表明astol1的劑量效應(yīng)需要與野生型等位基因相平衡。在本研究中，為了實(shí)現(xiàn)astol1增強(qiáng)Cys生物合成的潛力，同時(shí)克服其對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制，采用了一個(gè)中等表達(dá)水平的線粒體谷胱甘肽過(guò)氧化物酶基因（OsGPX1）的啟動(dòng)子來(lái)驅(qū)動(dòng)astol1在野生型水稻中的表達(dá)。一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表達(dá)pOsGPX1::astol1可顯著促進(jìn)硫的吸收和同化，根系中硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsSULTR1;1和OsSULTR2;1表達(dá)水平升高，硫酸鹽含量增加，Cys合成的限速酶SAT活性顯著增強(qiáng)，O-乙酰絲氨酸（OAS）、Cys、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合素（PCs）含量增加，耐砷能力增強(qiáng)。此外，根系中煙酰胺（NA）合成關(guān)鍵基因OsNAS的表達(dá)水平顯著提高，NA含量升高。NA是微量元素Zn、Fe、Cu的螯合物，對(duì)植物體內(nèi)這些元素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)起重要作用。

 

　　在采用砷污染土壤的盆栽試驗(yàn)和兩次田間試驗(yàn)中，與野生型相比，表達(dá)pOsGPX1::astol1對(duì)植株生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量多數(shù)情況下無(wú)顯著影響，稻米中砷含量下降了16–51%, 鋅含量增加了21–69%，硒含量增加了37–171%，硫含量增加了67–81%，其他營(yíng)養(yǎng)元素包括氮、鉀、鈣、鐵、銅含量也有不同程度的提升。

 

　　該研究表明，Cys的生物合成對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)起重要作用，表達(dá)pOsGPX1::astol1可適度增強(qiáng)水稻Cys的生物合成，提高水稻耐砷能力，降低稻米砷積累，并同步實(shí)現(xiàn)稻米中多種營(yíng)養(yǎng)元素的生物強(qiáng)化，起到一石多鳥(niǎo)的功效。該研究為改善稻米營(yíng)養(yǎng)與健康品質(zhì)提供了新的途徑。

 

　　南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生徐雪杰博士為論文的第一作者，趙方杰教授為論文的通訊作者，德國(guó)海德堡大學(xué)孫晟凱博士、Markus Wirtz和Rüdiger Hell教授以及資環(huán)學(xué)院鐘山青年研究員高阿祥博士和黃新元教授參與了本項(xiàng)工作。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

 

　　參考文獻(xiàn)：

 

　　Sun S.K., Xu X.J., Tang Z., Tang Z., Huang X.Y., Wirtz M., Hell R., Zhao F.J., 2021. A molecular switch in sulfur metabolism to reduce arsenic and enrich selenium in rice grain. Nature Communications 12, 1392.

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.20168