出品：科普中國
製作：中國科普博覽
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
不久前，袁隆平院士宣布了一項重大成果：水稻親本去鎘技術獲得突破，為解決鎘汙染土地種植安全水稻提供了先進方案，這項重大成果是利用基因編輯技術實現的。
水稻中的鎘問題
水稻中的鎘問題一直受到廣泛關注，那它是到底如何造成的呢？其實，除了土壤本身含鎘，隨著我國工業化的發展，採礦冶煉產生的廢水、廢氣排放，含鎘磷肥施用等，造成耕地鎘汙染。
據統計，我國有1300萬公頃的耕地被鎘汙染。水稻既是主要的糧食作物之一，也是容易蓄積鎘的作物之一，稻田中的鎘通過水稻的根系被吸收，並向上運輸到莖、葉和稻米中。
我國南方稻區由於酸性的紅壤分布廣（酸性土壤有效態鎘含量高），秈稻為主的種植模式（相對粳稻多數秈稻蓄積鎘的能力更強），加劇了稻米鎘汙染風險。
如果要檢測水稻中的鎘含量，我們可以通過粉碎、或用酸消解水稻樣本，得到的消化液通過原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體發射光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀來檢測鎘含量，而鎘含量的檢測標準是食品安全國家標準（GB 5009.15-2014，食品中鎘的測定）。
鎘汙染耕地（圖片來自網絡）
鎘是對人體有害的一種重金屬，一旦被人體攝入，在體內的半衰期長達10-30年，會在人體的骨骼和腎臟等部位不斷富集，引發骨質疏鬆、腎功能衰竭、癌症及心血管疾病等。
其實，在親本去鎘技術出現前，我們也採取率一些方法解決水稻中的鎘問題，主要包括「淨源」、「失活」、「減量」、「低吸」四種技術或者這些技術的集成辦法。
譬如有所謂的VIP綜合治理策略，V（Variety）表示種植低鎘水稻，I（Irrigation）表示淹水灌溉，P（pH值）表示施用石灰調節土壤pH值等農藝措施等。培育、栽培低鎘品種是最直接、經濟的途徑，淨化改良土壤是治本之舉，但成本高、周期長。
基因編輯在親本去鎘技術中的運用
親本去鎘技術的原理是通過基因組編輯技術，定點突變水稻吸收鎘的關鍵基因，從而有效阻斷水稻對鎘的吸收，降低水稻植株的鎘含量。
基因組編輯技術在親本去鎘中的運用（圖片來自網絡）
目前，水稻吸收鎘的主效基因已經被挖掘，以它作為靶標基因，通過轉基因技術導入可使該基因突變的外源基因（CRISPR/Cas9系統），可使靶標基因發生定點突變。
因為外源基因與靶標基因在基因組不同位置，在突變後的水稻群體中，可篩選到不含外源基因的突變單株。
此前國內外科學家普遍認為因為鎘不是水稻生長需要的元素，沒有吸收鎘的專門通道；再者，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。
但是近年來，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，我們培育出了在中度鎘汙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」。
應急性鎘低積累水稻品種（圖片來自網絡）
但這些品種一旦種植在高鎘汙染稻區，其稻米鎘往往會超過0.2mg/kg的國家標準。在研創出「低鎘水稻」及其技術以前，培育高鎘汙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。
或許會有人有疑惑，親本去鎘技術含轉基因成分嗎？其實，親本去鎘技術雖然利用到了轉基因技術，但獲得的低鎘水稻已經剔除了所有的外源基因，不含任何轉基因成分。
低鎘水稻會影響其他元素的吸收嗎？
由於鎘不是植物必需的礦質元素，一般我們認為，水稻並沒有特異性吸收鎘的基因，水稻是通過吸收錳等必需礦質元素的通道順帶把鎘吸收進根系的。
鎘不是植物必需的礦質元素（圖片來自網絡）
以錳元素為例，低鎘水稻在降低鎘吸收的同時，會影響到錳的吸收。錳是植物必需的微量元素，維持水稻正常生長不需要大量的錳。由於水稻全生育期有大量時間處於淹水種植狀態，這種土壤條件下有效態錳含量高，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，而高於其他的農作物，且水稻進化出一系列的機制來解除體內的高錳含量帶來的毒害效應。
所以即使低鎘水稻的錳含量大大降低，但正常栽培條件下，不會影響其生長和產量，且在稻米中有一定含量的錳元素。
低鎘雜交水稻的未來
目前，華佔和隆科638S是秈型雜交水稻骨幹親本，在雜交稻生產中被廣泛用來配組，它們配組出的隆兩優華佔是隆平高科的主推的高產、優質品種；近年在長江流域、華南稻區廣泛種植，年推廣面積達數百萬畝。
華佔（圖片來自網絡）
低鎘水稻還需要在不同生態和土壤條件下試驗和示範，以熟化成果；如果政策許可，2-3年後即可實現大面積應用，這種方法也可以嘗試延用到其他農作物，但需要試驗和鑑定。
低鎘水稻在試驗、示範與推廣推進工作遇到的關鍵問題確實主要來自政策方面。目前農業部正在研究基因組編輯技術產生的農作物如何監管的管理辦法。在國家相關管理辦法出臺前，低鎘水稻暫只能按照現行政策相關要求進行試驗。
本文主要素材由國家雜交水稻工程技術研究中心提供。
「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處