Mol Plant | 武汉大学龚继明教授和湖南科技大学彭佳师教授合作提出“修复型水稻”概念:兼顾粮食安全生产与耕地污染修复
DOI:10.1016/j.molp.2026.05.001
2026年5月9日，武汉大学龚继明教授和湖南科技大学彭佳师教授合作在Molecular Plant杂志上发表了题为Kill two birds with one stone: breeding remediation-rice to fulfill safe food production and heavy metal remediation 的观点类论文，提出了重金属污染“修复型水稻”的概念，即通过设计育种定向改造水稻体内的重金属分配网络，实现水稻籽粒重金属低积累但在稻草等非食用部位高积累，从而有效利用中轻度污染耕地进行安全的粮食生产，同时对耕地重金属污染物进行顺带性质的植物提取修复。在中国耕地紧张的特定条件下，该设想的提出旨在解决同时进行粮食安全生产与污染耕地修复的现实需求问题，并期望引起同行的重视并将研究重心向这个角度进行适度倾斜。
水稻生产的现实需求：重金属镉已经成为我国农田土壤的主要无机污染物，而且重金属镉污染的高风险地区与水稻主要产区重叠，使得大米已成为饮食中镉等有毒元素的主要来源。然而，在人多地少的现实国情下，一些轻中度污染农田仍需（在）进行水稻生产以确保主粮需求。低镉稻选育固然解决了部分问题，但是稻田中的重金属始终是一种不安全因素，尤其是考虑到中国的稻田往往需要进行轮作，处于旱田期间的土壤重金属生物有效性大幅增加并加重了沿食物链迁移的风险。因此，在确保水稻安全生产的同时，如何兼顾稻田中重金属污染修复是一个必须严肃思考的重大课题。
水稻改良的科学选择：通过阻断水稻对重金属的吸收是应对重金属污染的有效途径，但镉等有毒金属一般通过其他必需元素的吸收和转运系统被植物吸收和在体内迁移，阻断其吸收的同时会从源头上减少相关必需元素的积累。而对这些有毒元素在水稻体内再分配的调节对必需元素稳态的影响相对较小。因此，通过改造调节重金属在组织间的再分配而不是完全阻断源头吸收在科学上是一个更现实且相对容易实现的选项。
本研究提出并阐述了“修复型水稻”的总体设想。“修复型水稻”旨在最大限度地减少重金属在籽粒中的积累，以确保食品安全，同时最大限度地增加秸秆等非经济生物量中的积累，从而提取土壤中的重金属，逐步实现对污染土壤的修复。这些基本要求需要“修复型水稻”具有正常甚至是加强的重金属吸收能力、高效转运到地上部分的能力，以及定向分配到稻草中并实现高效固存的能力。
其次，设想中提出了 “修复型水稻”分子设计育种的具体策略（图1）。在根部，增强重金属的吸收和向木质部装载，同时减少根细胞的液泡区隔。节是水稻中负责金属元素在籽粒和营养组织间分配的枢纽，也是“修复型水稻”设计改造的关键靶标部位，对应改造手段是减少重金属从扩大的维管束（EVBs）通过薄壁细胞桥（PCB）向扩散维管束（DVBs）的转移，使重金属优先靶向叶鞘而不是籽粒。稻草被设计为“修复型水稻”中重金属的主要储存场所，可以通过将重金属隔离到液泡或细胞壁中进行解毒和区隔，同时防止重金属重新分配到籽粒中。
研究还对“修复型水稻”的构建和应用进行了展望。针对可利用的靶标基因底物特异性不强的瓶颈问题，可以从特殊生境中的特化植物，比如重金属超积累植物，寻找和鉴定优异的基因资源并加以运用，以及改造现有金属转运蛋白实现其转运底物解偶联，比如找到解除OsNramp5底物隔和锰偶联转运的关键氨基酸位点或者位点组合，以及实现OsNramp5的定向表达调控等。此外，对多种生理性状的改造进行快速、精准整合的技术的开发及其公众接受度也是未来研究需要关注的重点方向。
武汉大学龚继明教授和湖南科技大学彭佳师教授为论文共同通讯作者，龚继明教授为论文第一作者。湖南农业大学孟栓副教授和武汉大学王娅婷博士参与了该项研究。该研究得到国家自然科学基金和湖南省科技创新计划项目的资助。
龚继明教授长期从事植物营养调控及重金属植物修复相关的分子调控机理研究，在 Nat Biotechnol、Nat Commun、Mol Plant、Plant Cell、PNAS、New Phytol. 等期刊发表了系列高水平论文。
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