Исключение генов OsPht1;9-1;10 снижает накопление мышьяка в зернах риса (Oryza sativa)

Почему безопасность риса важна

Для миллиардов людей, особенно в Азии, рис является повседневной едой. Однако в ряде регионов вода и почвы, используемые для выращивания риса, содержат мышьяк — токсичный элемент, связанный с раком и другими серьёзными заболеваниями. Поскольку рисовые растения особенно эффективно извлекают мышьяк из почвы и перераспределяют его в зерно, наша ежедневная порция риса может тихо становиться значительным источником воздействия. В этом исследовании рассматривают способ получения растений риса, которые естественным образом загружают в зерно значительно меньше мышьяка — без ущерба для урожайности и необходимых питательных веществ — что открывает путь к более безопасным продуктам питания.

Как мышьяк проникает в рис

В затопленных рисовых полях мышьяк встречается главным образом в двух формах; одна из них, арсенат, сильно похожа на фосфат, жизненно важное питание для растений. Корни риса зависят от специализированных белковых «врат», которые впускают фосфат из почвы. Поскольку арсенат выглядит очень похоже, он может пройти через те же ворота и оказаться внутри растения. Ранее было показано, что отключение некоторых из этих ворот снижает поступление мышьяка, но часто это лишает растение фосфата и резко снижает урожай. Задача заключалась в том, чтобы найти такие ворота, которыми пользуется арсенат, но от которых рис не зависит в большой степени для собственного питания.

Поиск подходящих ворот для блокировки

В рисе по крайней мере 13 родственных фосфатных ворот, известных как транспортеры Pht1. Авторы сосредоточились на двух из них, называемых OsPht1;9 и OsPht1;10, поскольку предыдущие данные указывали, что они резко реагируют при контакте растений с арсенатом. Изучая активность генов в корнях риса, подвергнутых воздействию арсената и при низком или высоком уровне фосфата, команда обнаружила, что особенно OsPht1;10 включается при наличии арсената в условиях нормального фосфата. Испытания в инженерных дрожжевых клетках, лишённых собственных фосфатных ворот, показали, что как OsPht1;9, так и OsPht1;10 очень эффективно вносят арсенат в клетки — даже более эффективно, чем ранее известный высокоёмкий транспортер арсената.

Создание риса, блокирующего мышьяк, но не питательные вещества

Чтобы выяснить, как эти ворота работают в реальных растениях, исследователи использовали редактирование генов CRISPR, чтобы получить линии риса с нарушенными OsPht1;9 и OsPht1;10 одновременно. В гидропонных экспериментах эти двойные мутанты росли лучше, чем обычные растения при наличии арсената: у них были длиннее корни и более высокая толерантность. Замеры показали, что в их побегах содержалось на 46–66% меньше мышьяка, а сок, переносящий воду и питательные вещества от корней к листьям, имел до трети меньшую концентрацию мышьяка. Что важно, при типичных уровнях фосфата у отредактированных растений не наблюдалось снижения содержания фосфата, что указывает на то, что другие ворота компенсировали поглощение питательных веществ, в то время как поступление арсената через OsPht1;9 и OsPht1;10 было существенно ограничено.

Полевые испытания в реальных почвах

Лабораторные тесты могут быть многообещающими, но их нужно подтверждать в поле. Поэтому команда выращивала отредактированные и обычные растения риса в течение полных сезонов на почвах, загрязнённых мышьяком, в двух местах на юге Китая в разные годы. Во всех испытаниях растения, лишённые одновременно OsPht1;9 и OsPht1;10, давали урожай зерна сопоставимый с обычным рисом, что показывает, что их общая жизнеспособность не пострадала. Тем не менее содержание мышьяка во всём растении снизилось до 62%, а в зерне — примерно на 19–67%, в зависимости от года и участка. Мутанты с изменением только одного гена, когда был нарушен лишь OsPht1;9 или лишь OsPht1;10, не показали стабильных снижений, что подчёркивает: необходимо выключить оба воротa, чтобы существенно сократить поток мышьяка в зерно.

Значение для более безопасного риса

Эта работа выделяет OsPht1;9 и OsPht1;10 как ключевые генетические «клапаны», которые направляют арсенат в рис, не будучи при этом незаменимыми для фосфатного питания растения при типичных условиях фермерства. Редактируя оба гена, исследователи получили линии риса, которые накапливают в зерне значительно меньше мышьяка, сохраняя при этом нормальную урожайность и основные микронутриенты. Поскольку во многих странах ограничивают трансгенные подходы, предполагающие добавление чужеродной ДНК, эти цели в собственных генах — а также природно встречающиеся варианты тех же генов — предлагают практический путь для селекционеров к созданию сортов риса с низким содержанием мышьяка. В долгосрочной перспективе такие культуры могут помочь сократить важный скрытый источник воздействия мышьяка для миллионов людей, зависящих от риса как от ежедневного продукта питания.

Цитирование: Feng, H., Chen, C., Xu, M. et al. Knocking out OsPht1;9-1;10 genes decreases arsenic accumulation in rice (Oryza sativa) grains. Commun Biol 9, 518 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09741-5

Ключевые слова: мышьяк в рисе, фосфатные транспортеры, редактированные гены в сельхозкультурах, безопасность пищевых продуктов, селекция риса