突变体库|找到水稻突变体“耐砷富硒”开关
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从左至右分别为田间收获的水稻野生型（左一、二）、杂合突变体和纯合突变体（右一、二） 。南京农大供图
水稻比其他禾谷类作物更容易积累砷，导致以稻米为主食的人们容易受到砷的威胁 。与此相反，作为人体必需的有益微量元素，硒在稻米中的含量往往较低，无法满足人体健康的需求 。
近日，《自然—通讯》在线发表了南京农业大学资源与环境学院教授赵方杰团队最新筛选到的一个耐砷富硒水稻突变体 。他对《中国科学报》说：“控制稻米对砷的积累对保障农产品质量安全和人体健康具有重要意义，而提高稻米的硒含量则对改善人体硒营养状况至关重要 。”
通过研究这个独一无二的突变体，科学家有望培育出耐砷富硒、更安全健康的水稻新品种 。
水稻易吸收砷，硒含量较低
水稻是人类最为主要的粮食作物之一，养活了世界将近一半的人口 。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心（植物生理生态研究所）研究员晁代印在接受《中国科学报》采访时说，砷是一种在土壤中广泛存在的类金属，对生物的毒性很强 。水稻生长的淹水环境使得土壤中的重金属砷容易以三价的亚砷酸盐形式存在，这一形式的砷非常容易被水稻吸收必需营养硅所使用的运输蛋白误运 。因此水稻比其他禾谷类作物更容易积累砷 。
与砷相反，硒是人体必需的微量元素，对增强人体免疫功能和抗氧化延缓衰老有重要作用 。全球将近3/4的稻米硒含量偏低，约有近10亿人硒摄入量不足 。中国有一个横跨东北到川藏的缺硒带，大约1亿人生活在这个地带 。如果能够提高稻米的硒含量，对人体健康大有好处 。
因此，“在环境污染问题日益严重、人民对健康的追求日益提升的当下，降低稻米砷含量、提高硒含量，对于改善稻米品质、促进食品安全和人体健康，不仅意义重大，而且非常急迫 。” 晁代印表示 。
这也是赵方杰团队筛选水稻突变体库中4000多个单株，希望找到耐砷的水稻突变体的初衷 。“水稻有大约5万个基因，我们想知道哪个基因跟耐砷有关 。”
赵方杰介绍，为了开展水稻遗传和基因功能的研究，对水稻种子进行化学或辐射诱变，使得其遗传物质DNA发生一些随机突变，用诱变后的种子种植，成熟后单株分开收获，叫做突变体库，一般上万个单株分开收获种子 。
对这些突变体库的种子重新种植，观察其生长状况等表型 。在这项研究中，主要看对有毒砷的耐性和未突变的原品种相比有没有改变 。
论文第一作者孙晟凯告诉《中国科学报》，突变体是他筛选到的 。因为正常水稻在砷处理下受到毒害，所以当用砷溶液处理水稻幼苗时，根的生长会变慢，表现为比对照组的根更短 。
他发现，这一突变体的根长并没有受到溶液中添加的砷的影响 。“这是一个更加耐砷的突变体，我们称它为astol1，具有半显性的特征 。”赵方杰说 。
一般而言，采用诱变方法得到的突变体大多数是隐性突变，意味着突变之后那个基因丧失了功能 。显性突变体比较少见，往往意味着突变之后那个基因获得了功能 。而半显性突变体指杂合体的表型比纯合突变体稍微弱一些，往往意味着基因的剂量效应 。
突变体既耐砷又富硒
经过一系列的实验，他们发现，astol1突变体耐砷的原因是它的半胱氨酸和植物螯合肽合成增加了 。孙晟凯说，植物螯合肽是一种多肽，由半胱氨酸合成 。以往研究已经证明，植物螯合肽会与砷发生紧密的结合，从而降低砷对水稻植株的毒性 。
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