保护植物免受土壤中有害金属侵害的关键基因

人类活动对地球的负面影响不仅影响地球的大气，还会深入到土壤中。例如，过度施用粪肥或污水污泥会增加种植重要作物的农田中的重金属浓度。其中一种重金属是锌，这是植物和动物健康所必需的微量营养素。然而，过量的锌会对敏感的植物物种造成极大的伤害。

有些植物天生对锌有更高的耐受性，这使它们能够在有毒的环境中茁壮成长，但这背后的生物学原理此前并不清楚。在一项新的研究中，索尔克研究所的科学家们发现了一种帮助植物管理土壤中过量锌的基因。

研究结果发表在2024年7月11日的《自然通讯》上，揭示了植物通过将锌捕获在根细胞壁中来耐受高水平的锌，这一过程是由一种名为毛状体双折射(TBR)的基因促进的。科学家和农民现在可以利用这些信息来开发和种植对土壤污染更有抵抗力的作物。提高植物的恢复力是索尔克植物利用计划的一个主要目标。

“细胞壁的结构就像一个支架，可以从植物的其他部分储存锌，如果TBR基因是活跃的，植物可以储存更多的锌，”资深作者沃尔夫冈·布施解释说，他是利用植物倡议的执行董事，也是索尔克植物科学的赫斯主席。“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，它可能是生与死的区别。”

细胞壁储存锌的能力很大程度上依赖于一种叫做果胶甲基化的过程——这一过程改变了细胞壁内海绵状果胶分子的结构，使它们能够吸收更多的锌。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，以确定与果胶甲基化增加相关的植物基因。

“我们发现TBR等位基因变异会影响果胶甲基化的变化，并有助于确定植物耐受高锌水平的能力，”第一作者、布希实验室前访问研究生钟开珍说。“了解这一点非常重要，因为我们现在可以在其他植物中引入或激活这种基因，从而创造出更能适应环境变化的作物。”

这些最初的实验是在拟南芥(Arabidopsis thaliana)上进行的，拟南芥是一种小型开花植物，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个基因是否在其他植物中也有类似的作用，包括重要的作物物种。

为了做到这一点，科学家们把稻谷(Oryza sativa)——一种常见的水稻品种和数十亿人的主要作物——放在锌含量有毒的土壤中。他们专门比较了两种版本的水稻——一种有功能的TBR基因，另一种没有——并监测了它们的根系生长情况，作为锌耐受性的衡量标准。

具有功能性TBR的水稻成功繁殖，证实了这种锌毒性的生存机制在多个植物物种中是保守的。同样的试验也对豆科植物荷花进行了试验，得出了同样的结果。

“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是保守的，它们构成了绝大多数植物物种和粮食作物，”Busch说。“这一发现可以用于提高植物对有毒锌水平的适应能力，并有助于支持我们未来的食物供应。”

到2080年，世界人口预计将激增至110亿，而土壤中的锌毒性日益普遍，因此必须在开发能够承受这些条件的作物方面取得进展。这项研究是实现这一目标的重要一步。