親本去鎘技術

通過基因組編輯技術與雜種優勢利用技術的集成，培育低鎘雜交稻品種的技術，具體地即首先分別定點突變雜交水稻父本、母本吸收鎘的關鍵基因，再用低鎘雙親配組，培育出在高污染田種植，稻米鎘含量低，且不含外源基因，產量、品質等主要農藝性狀與原始對照品種沒有顯著差異的低鎘雜交水稻組合的分子育種技術。

基本介紹

• 中文名：親本去鎘技術
• 通俗理解：突變親本吸鎘基因培育低鎘雜交稻
• 相關技術：基因組編輯技術
• 項目牽頭人：袁隆平院士、柏連陽教授
• 技術主創人員：趙炳然研究員、唐麗博士等
• 研發意義：解決“鎘大米”問題

研究背景

“鎘大米”問題是迫切需要解決的事關國計民生的重大問題。國內外科學家普遍認為因為鎘不是水稻生長必需的元素，沒有吸收鎘的專門通道；稻米鎘的積累經由鎘的吸收、運輸與積累等複雜過程，涉及許多基因；即便發現有吸收鎘的主效基因，但降鎘的同時可能對產量構成重要影響，所以對培育出低鎘雜交水稻存在很多疑惑。近年，湖南通過從審定的常規稻、雜交水稻品種的大量篩選以及通過大規模常規育種，培育出了在中度鎘污染土壤栽培籽粒鎘低積累的水稻品種；湖南省農委已經發布了一批“應急性鎘低積累水稻品種”。但這些品種一旦種植在鎘重污染稻區，其稻米鎘往往會遠遠超過0.2mg/kg的國家標準。培育鎘重污染大田產出的稻米鎘含量依然低於國家標準的雜交水稻品種，一直是育種界沒能突破的一個技術難題。

技術創新、效果與原理

通過基因組編輯技術與水稻雜種優勢利用技術的集成創新，在國際上率先研創出低鎘雜交水稻及相應技術體系。具體地，以大面積套用的雜交稻骨幹親本華占和隆科638S為材料，通過基因組編輯技術CRISPR/Cas9，定點突變控制鎘吸收的主效基因OsNramp5，有效阻斷水稻吸收鎘的過程，在後代群體中通過外源基因檢測、靶位點測序比對篩選無外源基因的純合突變系，結合綜合農藝性狀考察和稻米中鎘等元素含量測定，分別研創出農藝性狀穩定而稻米鎘低積累的恢復系新品系“低鎘1號”及溫敏核不育系“低鎘1S”，再用“低鎘1號”與“低鎘1S”配組，培育了不含外源基因，產量、品質等綜合農藝性狀與原始對照品種“隆兩優華占”沒有顯著差異，在總鎘1.5-2.4mg/kg重污染大田栽培稻米鎘含量低於0.05mg/kg的低鎘雜交組合“兩優低鎘1號”。

基因組編輯技術是一種可以在基因組水平上對DNA序列進行修飾、改造的分子技術。其原理是人工構建一個靶向性的核酸內切酶，在預定的基因組位置上精確切斷目的基因DNA，切斷的DNA會被細胞本身的DNA修復系統自行修復，在此過程中會發生一定機率的突變事件，從而達到定點突變的目的。此過程既模擬了基因組的物理誘變和化學誘變，包括航天誘變等方法，又具有高效定點誘變基因的獨特優勢。基因組編輯技術因可快速精準對作物自身基因進行突變，而實現對作物相關農藝性狀的改良，已經迅速發展為作物遺傳改良的重要手段。

因為經過基因組編輯技術獲得的T₀單株中外源基因與目的基因在基因組不同位置，經過一代自交繁殖，在其T₁群體中，通過逐株外源基因檢測、靶位點測序比對，即可篩選到不含外源基因、而“吸鎘”基因突變的單株。親本去鎘技術利用到了轉基因技術，但獲得的低鎘親本品系剔除了所有外源基因，不含任何轉基因成分，所以用其配製的低鎘雜交水稻組合也不含外源基因。

科學家發現實際上OsNramp5基因是管錳吸收、同時調控鎘吸收的基因，室內、大田試驗證明低鎘水稻因為OsNramp5基因發生突變在降低鎘吸收的同時，會影響到錳的吸收。儘管錳是植物生長必需的微量元素，但維持水稻正常生長不需要大量的錳。我國長江流域及華南稻區農田土壤有效態錳含量高，一般種植條件下水稻的錳含量遠遠超過其正常生長發育的需求；水稻甚至進化出一系列機制來解除體內高錳帶來的毒害效應。所以現有試驗表明即使低鎘水稻的錳含量大大降低，但其生長正常，產量、品質也不受影響。