研究揭示了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我们星球的大气层，还深入到土壤中。例如，过度施用粪便或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，过量锌会对敏感的植物物种造成极大的伤害

一些植物对锌的天然耐受性更高，这使它们能够在其他有毒条件下茁壮成长，但这背后的生物学机制尚不清楚。在一项新的研究中，索尔克研究所的科学家们发现了一种有助于植物管理土壤中过量锌的基因

发表在《自然通讯》上的研究结果表明，植物通过将锌捕获在根细胞壁中来耐受高水平的锌，这一过程由一种名为毛状双折射或TBR的基因促进。科学家和农民现在可以利用这些信息开发和种植更能抵御土壤污染的作物。增强植物的抗逆性是索尔克植物利用倡议的主要目标

“细胞壁的结构就像一个支架，可以将锌从植物的其他部分储存起来，如果TBR基因是活跃的，植物可以储存更多的锌，”资深作者Wolfgang Busch解释道，他是“利用植物倡议”的执行主任，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，它可能是暴露在有毒条件下的植物的生与死的区别。”

细胞壁储存锌的能力在很大程度上取决于一种称为果胶甲基酯化的过程——这一过程改变了细胞壁内海绵状果胶分子的结构，使其能够吸收更多的锌。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，以确定与果胶甲基酯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酯化的变化，并有助于确定植物耐受更高锌水平的能力，”第一作者、Busch实验室的前访问研究生Kaizhen Zhong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该基因，以创造更能适应环境变化的作物。”

这些初步实验是在拟南芥中进行的，拟南芥是一种小型开花植物，科学家将其用作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，科学家们将水稻（Oryza sativa）——一种常见的水稻品种和数十亿人的主食作物——置于锌含量有毒的土壤中。他们专门比较了两种版本的水稻——一种具有功能性TBR基因，另一种没有——并监测了它们的根系生长，以此作为锌耐受性的衡量标准

具有功能性TBR的水稻茁壮成长，证实了锌毒性的这种生存机制在多种植物物种中都是保守的。对豆科植物日本莲藕也进行了同样的测试，得到了同样的结果

随着到2080年世界人口预计将激增至110亿，锌毒性在我们的土壤中越来越普遍，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

其他作家包括法国萨尔克的Matthieu Pierre Platre、何文荣、张玲、Anna Małolepszy和曹敏；中国水稻研究所的张鹏、魏向进、胡世凯、唐少青；中国浙江大学索尔克分校李宝海；中国国家水稻研究所和江西农业大学的胡培松 More information: Kaizhen Zhong et al, Natural variation of TBR confers plant zinc toxicity tolerance through root cell wall pectin methylesterification, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50106-5

Journal information: Nature Communications