研究揭示保护植物免受土壤有害金属侵害的关键基因

研究揭示保护植物免受土壤有害金属侵害的关键基因

索尔克研究所的科学家们最近发现了一种能够增强植物锌耐受性的关键基因，这一突破性发现为培育抗重金属污染的作物提供了新的可能性。

人类活动对地球的影响不仅局限于大气层，还深入到了土壤之中。例如，过量施用粪肥或污水污泥会导致农田中重金属浓度升高。锌作为一种重金属，虽然是植物和动物健康所必需的微量营养素，但过量的锌会对敏感植物物种造成极大的破坏。

从左至右：Wolfgang Busch 和 Kaizhen Zhong。

一些植物天生具有较高的锌耐受性，能够在有毒环境中茁壮成长，但这种现象背后的生物学原理此前并不清楚。索尔克研究所的科学家们在最新研究中发现了一种名为毛状体双折射（TBR）的基因，它能够帮助植物控制土壤中过量的锌。

这项发表在《自然通讯》上的研究揭示，植物通过将锌困在根细胞壁中来耐受高浓度的锌，这一过程由TBR基因促进。科学家和农民现在可以利用这些信息来开发和种植更能抵御土壤污染的作物。增强植物的适应力是Salk研究所的主要目标之一，这与该所的"利用植物倡议"相契合。

"细胞壁的结构就像一个支架，可以将锌储存在植物其他部分之外。如果TBR基因活跃，植物就可以储存更多锌。"沃尔夫冈·布施教授解释道，他是Harnessing Plants Initiative的执行董事，同时也是索尔克植物科学Hess主席。"这个简单过程的有趣之处在于，对于暴露在有毒环境中的植物来说，它可能是生死之间的差别。"

细胞壁储存锌的能力在很大程度上取决于一个称为果胶甲酯化的过程——这个过程会改变细胞壁内海绵状果胶分子的结构，使其能够吸收更多的锌。为了更好地理解这一点，研究人员进行了一项全基因组关联研究，以确定与果胶甲酯化增加相关的植物基因。

荷花芽苗，野生型（左）和 TBR 同源物（右），正常锌水平（上）和高锌水平（下）。

"我们发现TBR等位基因变体会影响果胶甲酯化的变化，并有助于确定植物耐受更高锌水平的能力，"第一作者、Busch实验室前客座研究生Kaizhen Zhong说道。"了解这一点非常重要，因为我们现在可以将这种基因引入或激活到其他植物中，以创造出更能适应环境变化的作物。"

这些初步实验是在拟南芥（Arabidopsis thaliana）这种小型开花植物上进行的，科学家将其作为研究植物生物学的模式生物。研究人员的下一步是看看这种基因是否在其他植物（包括重要的农作物品种）中发挥类似的作用。

为了做到这一点，科学家们选择了水稻这种常见的水稻品种，也是数十亿人的主食作物，在锌含量有毒的土壤中进行生长实验。他们特别比较了两种版本的水稻——一个带有功能性TBR基因，一个不带有，并监测其根部生长情况作为锌耐受性的衡量标准。

含有功能性TBR的水稻生长旺盛，证实了这种锌毒性存活机制在多种植物物种中都得到了保留。对豆科植物荷花也进行了同样的测试，产生了相同的结果。

"令人兴奋的是，我们的数据表明这种现象在所有开花植物中都存在，而开花植物占植物种类和粮食作物的绝大多数，"Busch说。"这一发现可以用于提高植物对有毒锌水平的抵抗力，并有助于支持我们未来的粮食供应。"

预计到2080年，世界人口将激增至100亿，土壤中锌中毒现象日益普遍，因此必须开发出能够耐受这些条件的作物。这项研究是朝着实现这一目标迈出的重要一步。

其他作者包括索尔克生物研究所的Matthieu Pierre Platre、何文荣、张玲、Anna Małolepszy和曹敏；中国国家水稻研究所的张鹏、魏祥金、胡世凯和唐少卿；索尔克生物研究所和中国浙江大学的李宝海；以及中国国家水稻研究所和江西农业大学的胡培松。

该研究得到了Salk植物科学Hess讲席教授基金、浙江省自然科学基金（LDQ23C130001）、国家自然科学基金（32188102、32071991）、浙江省重点研发计划（2020R51007、2021C02056-1）以及国家自然科学基金（32172656）的资助。

原文链接：10.1038/s41467-024-50106-5