“低镉水稻”之所以能够培育成功，这与其体内的重金属转运蛋白具有很大的关系。

植物学家们研究发现，植物重金属转运蛋白在植物吸收、抵抗重金属的复杂机制中起着关键作用，其分为吸收蛋白和排出蛋白。其中,吸收蛋白转运必需重金属进入细胞,同时也会因为必需重金属的缺乏或离子之间的竞争而运载有毒重金属，而镉米中的镉就是以这样的方式进入稻米之中的。而排出蛋白是一类解毒蛋白，可将过量的或有毒的重金属逆向转运出细胞,或被分隔在细胞的液泡中。

一个叫做OsNramp5的吸收蛋白基因是罪魁祸首

这些年来，在世界各国科学家们的努力下，包括吸收蛋白和排出蛋白在内的细胞内的多种重金属转运蛋白已经被揭示出来，这为寻找和开发重金属富集能力强和能力弱的植物都提供了重要的基础条件。

基于吸收蛋白的研究，近些年一些重金属富集能力强的植物已经在土壤修复及生态治理方面立下了汗马功劳。

袁隆平所带领的研究团队基于对植物重金属转运蛋白的了解，他们的想法是，为了应对镉米污染，能不能开发出对重金属镉富集能力弱的水稻品种，突破的关键就在于从基因上做文章。

在研究中，赵炳然等研究人员发现，之所以很多水稻品种对重金属镉的富集能力强，一个叫做OsNramp5的吸收蛋白基因是罪魁祸首，因此解决问题的核心办法就是解决这个基因的问题，而这些年已经成熟的基因组编辑技术CRISPR/Cas9为相应水稻的基因组进行相应的手术提供了可能。于是，他们以目前已在我国大面积应用的两种杂交稻骨干亲本华占和隆科638S为材料，通过基因组编辑技术CRISPR/Cas9，定点突变了OsNramp5，从而有效阻断水稻吸收镉的过程，新培育出来的品种也就是“低镉1号”和杂交组合“两优低镉1号”。

当然，基因组编辑技术也存在同时造成基因组非靶标基因以外的其它基因突变的可能性。赵炳然表示，即使在通过基因组编辑技术获得目的基因突变又同时含有其它基因变异的情况下，也可以通过杂交、回交等常规方法进一步获得只有目的基因发生了变异、基因组背景与原始品种一样的材料。

▲镉元素。镉的毒性较大，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，且在人体内代谢较慢 （图片来自网络）

这种技术会影响水稻的生长发育吗?

锰是植株必需的微量元素，可能很多人会担心OsNramp5突变导致的降锰效应可能影响水稻的生长发育，赵炳然他们自然也想到了这个问题，并进行了专门的研究，结果表明，大于100 毫克/千克的茎叶锰含量，已能满足低镉水稻生长发育的需求。

此外，实验还发现，“低镉1号”水稻在地上部分锰含量为12 毫克/千克的情况下，长势和没有实施OsNramp5基因定点突变的华占水稻相比并无明显差异，这说明“低镉1号”可耐受一定程度的低锰条件，也就是说就算“低镉1号”因为镉吸收降低锰元素吸收也被波及，也不会给水稻的生长发育带来麻烦。

赵炳然表示，在未来几年的时间内，他们还要围绕低镉水稻进行一系列的实验，比如在高镉污染稻区，进行“低镉1号”和“两优低镉1号”不同土壤与生态类型、不同栽培方式的试验，评价降镉效果，同时考察产量和米质相关性状，进行“低镉1号”和“两优低镉1号”的不同低锰水平的大田试验，确认低镉水稻正常生长所需土壤中锰的临界浓度，从而用于指导低镉品种的栽培等。当然，培育出更多品种的大批量低镉杂交稻和常规稻也是他们的重要任务，将来如果被广泛推广种植、尤其是镉污染严重地区普遍种植，将会为我国解决严重的镉米污染问题开辟出一条全新的道路。

中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉在接受北京科技报记者采访时表示，尽管截至目前他还没有看到“低镉水稻”的有关详细研究材料，但是从公开的信息来看，他们使用了基因编辑技术，将水稻中对镉吸附能力强的基因敲出，但是低镉水稻中并没有外源性的基因，这种新技术应该是具有广阔的市场前景的。

▲CRISPR 位点结构图。水稻亲本去镉技术的核心就是利用了CRISPR/ Cas9基因组编辑技术（图片来自网络）