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，率先研創出在高鎘田種植，稻米依然穩定低鎘的雜交稻品種（系）低鎘1號及兩優低鎘1號。
基本介紹
研究背景及成效,主要研究結果,套用前景,
研究背景及成效
近些年來，多地出現的稻米鎘超標問題已成為我國糧食安全與國計民生重大關切。在“湖南省鎘低積累農作物品種篩選與選育”項目、“現代農業產業技術體系”等支持下，相關研究取得了豐富的階段性成果，提出了應對稻米鎘超標的多種策略，如開發了鎘污染稻田微生物萃取修復技術，綜合降鎘的“VIP”（品種、灌溉、pH）技術等等。其中篩選和培育籽粒鎘低積累水稻品種是最直接與經濟的辦法。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（總鎘含量1.5 mg/kg以上），其稻米鎘往往會遠遠超過0.2mg/kg的國家標準。
最近，相關研究取得重大突破。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，在國際上率先建立了培育低鎘秈型雜交稻親本及組合的技術體系，快速、精準培育出不含任何外源基因的低鎘秈型不育系、恢復系及低鎘雜交稻組合。經過兩年三點高鎘大田（總鎘含量1.5-2.4 mg/kg）鑑定試驗，其糙米鎘含量穩定在0.06 mg/kg以下，較原始品種（系）及低鎘對照“應急性低鎘品種”下降了90%以上，遠低於0.2 mg/kg的國家標準（和0.4mg/kg的國際標準），且產量、品質等綜合農藝性狀較原始品種（系）無顯著差異。
2017年9月27日由相關知名專家形成的專家組現場評議認為，該成果突破了常規方法篩選出的所謂“應急性鎘低積累水稻品種”在鎘重污染田栽培其稻米依然鎘超標的技術瓶頸，可望從根本上解決“鎘大米”問題。
▲評議專家組與袁隆平院士等在試驗現場合影
主要研究結果
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，定點突變了鎘吸收主效基因OsNramp5，有效阻斷水稻吸收鎘的過程。在後代群體中，結合外源基因檢測、靶位點測序比對、金屬元素含量測定和綜合農藝性狀考察，研創出無外源基因、農藝性狀好、稻米穩定低鎘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，培育出低鎘雜交組合兩優低鎘1號。
2016年在醴陵、北山高鎘污染大田種植，低鎘1號的糙米鎘含量則穩定在0.05 mg/kg以下；而對照華占的糙米鎘含量平均值分別為0.33mg/kg和2.90mg/kg。尤其是在北山土壤總鎘2.37 mg/kg條件下，低鎘對照日本晴經3年重複鑑定，糙米Cd含量穩定在0.8-1.2 mg/kg之間，對照華占的糙米Cd含量高於2 mg/kg，而低鎘1號的糙米Cd含量（0.03-0.04 mg/kg）降至對照華占的2%以下。在北山高鎘污染稻田種植，兩優低鎘1號的糙米鎘含量穩定在0.05 mg/kg以下，較對照隆兩優華占（糙米鎘含量2.43 mg/kg）下降98%以上。
2017年9月27日湖南省農學會組織專家組對湘潭河口鎮卓江村的高鎘試驗點（土壤全鎘含量1.5 mg/kg，pH值6.1）種植的低鎘水稻5次重複全部進行檢測、鑑定，低鎘1號及兩優低鎘1號稻穀平均鎘含量分別為0.065mg/kg、0.056mg/kg，比“應急性低鎘水稻”對照品種湘晚秈13號（1.48mg/kg）、深兩優5814（0.65 mg/kg）以及原始品種（系）華占（1.31 mg/kg）、隆兩優華占（0.84 mg/kg）下降了90%以上（圖1）。另外，經專家組隨機抽取低鎘水稻(低鎘1號及兩優低鎘1號)稻穀，同時寄送3家具有農業部認定檢測資質的轉基因檢測中心檢測，結果均顯示不含轉基因成分。
下一步將針對“低鎘水稻”錳的吸收下降、我國稻田生態和土壤類型多樣等情況，進一步開展品種與配套栽培技術試驗和示範，以促進低鎘水稻的早日實現大面積套用。
套用前景
針對“鎘大米”這一迫切需要解決的問題，率先建立的高效培育低鎘雜交稻的分子育種技術體系，突破了常規方法育成的“應急性低鎘品種”在高鎘稻田種植稻米依然鎘超標的技術瓶頸，且產量、品質等形狀不受影響；雖然研發過程套用到基因組編輯技術，但育成的低鎘雜交稻只是水稻本身的吸鎘基因的突變，不含任何外源基因。所以該成果套用潛力巨大，可從根本上解決我國“鎘大米”問題，且是經濟、實用、安全的。
圖1 低鎘1號、兩優低鎘1號及對照的稻穀鎘含量
註：土壤全鎘含量1.5 mg/kg，有效鎘含量0.5 mg/kg， pH值6.1
