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富鋅水稻培育及機(jī)制研究取得進(jìn)展

作者:宋檢 時間:2022-12-08 來源:互聯(lián)網(wǎng)

人體不僅需要碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)等三大營養(yǎng)素,還需要鐵、鋅、硒、碘等16種礦物元素,以及維生素A、維生素E、葉酸等13種維生素。目前的研究表明,如果必需的微量營養(yǎng)素長期攝入不足,人體就會出現(xiàn)免疫力下降、智力低下、發(fā)育不全、勞動能力喪失等各種健康問題。2005年,世界衛(wèi)生組織將這一現(xiàn)象稱為“隱性饑餓”。隱性饑餓不僅危害著國民健康,對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有著不利的深遠(yuǎn)影響。據(jù)世界銀行統(tǒng)計,隱性饑餓導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失占全球GDP的3%~5%。因此,隱性饑餓不僅影響人們身體健康,也影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。和其它發(fā)展中國家一樣,我國是世界上面臨隱性饑餓嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的國家之一。鋅是人體必需而又易缺乏的營養(yǎng)元素,世界約20%的人口面臨著鋅吸收不足的威脅。鋅在人體生長發(fā)育、生殖遺傳、免疫等生理歷程中起著*其重要的作用,被人們冠以“生命之花”的美稱。

 

通過育種來提高農(nóng)作物中微量營養(yǎng)素含量,不需要人們改變現(xiàn)有的飲食習(xí)慣和加工方法,就能讓人們從食物中安全地獲取所需的營養(yǎng)是長期以來科學(xué)家的追求目標(biāo),也是改善微量營養(yǎng)元素營養(yǎng)不良*為經(jīng)濟(jì)有效的方式。水稻是世界上超過一半人口的主糧,但其籽粒中鋅含量很低,因此,研究水稻籽粒吸收轉(zhuǎn)運富集鋅的分子調(diào)控機(jī)制,利用生物技術(shù)提高籽粒中鋅含量,對滿足人類鋅營養(yǎng)健康具有重要意義。

 

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點實驗室儲成才研究組博士高少培結(jié)合遺傳學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、同步輻射X射線熒光微探針等手段,揭示了細(xì)胞分裂素在植物細(xì)胞鋅平衡調(diào)控中具有重要作用。研究以細(xì)胞分裂素缺失突變體ren1-D(Gao et al., Plant Physiology, 2014)作為切入點,ren1-D在幼苗期表現(xiàn)出冠根數(shù)目變多和根長變長,該表型由T-DNA插入導(dǎo)致細(xì)胞分裂素脫氫酶OsCKX4激活造成。有意思的是,高少培發(fā)現(xiàn),在ren1-D突變體中,根和莖中鋅含量均顯著增加。進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn),負(fù)責(zé)鋅吸收的OsZIP家族轉(zhuǎn)運蛋白、負(fù)責(zé)鋅轉(zhuǎn)運的OsHMA2和煙酰胺合成酶OsNAS的基因轉(zhuǎn)錄水平都受到細(xì)胞分裂素的嚴(yán)格調(diào)控。田間試驗表明,在ren1-D突變體籽粒中Zn含量顯著增加,而在OsCKX4 RNAi干涉株系及其同源基因OsCKX2敲除突變體等細(xì)胞分裂素增加材料的籽粒中鋅含量均明顯下降。上述結(jié)果表明,細(xì)胞分裂素在調(diào)控水稻對鋅的吸收及轉(zhuǎn)運中起重要調(diào)控作用。

 

進(jìn)一步通過根特異性啟動子RCc3表達(dá)細(xì)胞分裂素脫氫酶OsCKX4對植物體內(nèi)的細(xì)胞分裂素代謝進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,可以同時改善水稻鋅含量和產(chǎn)量。ICP-OES測定顯示RCc3:OsCKX4轉(zhuǎn)基因的兩個株系糙米中鋅含量相對于對照增加57% 和61%,產(chǎn)量相對于對照增加11.2% 和10.9%。X射線熒光成像顯示,增加的鋅從糊粉層到胚乳廣泛分布。該研究結(jié)果為通過調(diào)控細(xì)胞分裂素代謝培育富鋅水稻提供了理論基礎(chǔ)。

 

該項研究成果于5月27日在New Phytologist 在線發(fā)表(DOI:10.1111/nph.15962)。高少培為論文**作者,研究獲得中科院和科技部項目的支持。

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中國科學(xué)院水生生物研究所研究員吳振斌團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn),垂直潛流人工濕地堵塞的部位主要發(fā)生在基質(zhì)表面和上層填料層,難降解生物質(zhì)污染物是濕地基質(zhì)堵塞物的主要成分之一。人工濕地基質(zhì)堵塞問題已成為制約人工濕地持久、高效、穩(wěn)定運行的主要障礙,亟待解決。研究團(tuán)隊在前期研究基礎(chǔ)上,根據(jù)堵塞物特性研制了可見光響應(yīng)型疏水性復(fù)合光催化劑,該催化劑具有良好的可見光響應(yīng)性能,可優(yōu)先高效去除難降解污染物,并揭示了優(yōu)先去除難降解有機(jī)污染物的降解率和動力學(xué)過程。該復(fù)合光催化材料可作為表層基質(zhì)進(jìn)一步應(yīng)用于潛流人工濕地系統(tǒng),優(yōu)先降解難降解污染物,有效緩解人工濕地基質(zhì)堵塞問題,延長人工濕地使用壽命。 相關(guān)研究成果已在線發(fā)表于化學(xué)環(huán)境期刊Chemical Engineering Journal。研究工作得到國家自然科學(xué)基金青年基金(51709254)、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS計劃)(KFJ-STS-ZDTP-038)和中科院知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項目等的支持。研究工作由水生所、中科院武漢巖土力學(xué)研究所、浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計研究院、加利福尼亞大學(xué)河濱分校等單位合作完成,論文通訊作者是水生所副研究員張義。

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