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。

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，危害人类和其它一些动物的健康。

其中，水稻的问题尤为严重，而这个问题最早在日本曝出。

▲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

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。

▲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。

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。

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。

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北京科技报记者表示，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。

▲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

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。

▲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。

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。