敲除 OsPht1;9-1;10 基因可降低稻米（Oryza sativa）籽粒中的砷累积

为何稻米安全性至关重要

对数十亿人而言，尤其是在亚洲各地，稻米是每日必食的主食。但在许多地区，用于种植稻米的水和土壤含有砷——一种与癌症及其他严重疾病相关的有毒元素。稻株特别擅长从土壤中吸收砷并将其输送到籽粒中，因此我们日常的一碗饭可能悄然成为主要的砷暴露来源。该研究探索了一种使稻株在不牺牲产量或必需营养素的情况下，显著减少籽粒中砷积累的方法，为更安全的主粮提供了一条可行途径。

砷如何悄然进入稻米

在淹水的稻田中，砷主要以两种形态存在，其中一种砷酸盐在结构上与对植物至关重要的磷酸盐十分相似。稻根依赖特殊的蛋白“闸门”将土壤中的磷酸盐带入体内。由于砷酸盐外形相似，它可以通过相同的闸门混入，并搭乘这些通道进入植物。早期研究显示关闭某些此类闸门可以减少砷的进入，但这常常会导致植物磷酸盐匮乏并显著降低籽粒产量。挑战在于找到那些砷酸盐会利用，但稻米本身并不严重依赖以维持营养的闸门。

找到合适的靶点闸门

稻米至少有 13 个相关的磷酸盐闸门，称为 Pht1 转运蛋白。作者把注意力集中在两个叫 OsPht1;9 和 OsPht1;10 的基因上，因为早期数据表明它们在植物遭遇砷酸盐时反应强烈。通过检测暴露于砷酸盐以及低或高磷条件下稻根的基因活性，研究团队发现 OsPht1;10 尤其会在常规磷水平且存在砷酸盐时被激活。在缺乏自身磷酸盐闸门的工程酵母细胞中的测试显示，OsPht1;9 和 OsPht1;10 都非常有效地将砷酸盐带入细胞——它们的能力甚至超过此前已知的高通量砷酸盐转运蛋白。

设计能阻挡砷但不损失养分的稻米

为了解这些闸门在真实植物体内的作用，研究者使用 CRISPR 基因编辑技术构建了同时扰动 OsPht1;9 和 OsPht1;10 的稻株系。在水培实验中，这些双突变体在存在砷酸盐时比普通植株生长更好，根系更长且耐受性更高。测量显示其地上部分含砷量减少了 46–66%，以及自根部向叶片输送水分和养分的汁液中砷含量最多减少了三分之一。重要的是，在典型的磷水平下，编辑株并未表现出磷含量下降，表明其他闸门能够轻易补偿养分摄取，而通过 OsPht1;9 和 OsPht1;10 的砷进入则被大大削弱。

在真实土壤中的田间试验

实验室检测虽有前景，但必须在田间得到验证。研究团队因此在中国南部两个地点的含砷土壤中，于数个不同年份将编辑株与常规稻株进行了整季栽培试验。所有试验中，缺失 OsPht1;9 和 OsPht1;10 的植株产量均与常规稻相当，表明其总体活力未受影响。然而，植株整体砷含量最多下降了 62%，籽粒中的砷含量则依年份和地点不同下降约 19–67%。仅有单基因突变（仅改动 OsPht1;9 或仅改动 OsPht1;10）的株系并未表现出一致的下降，这强调了必须同时关闭这两个闸门才能显著减少砷向籽粒的流动。

这对更安全稻米意味着什么

这项工作将 OsPht1;9 和 OsPht1;10 确认为将砷酸盐引入稻米的关键“阀门”，且在典型农业条件下并非维持植物磷营养所必需。通过同时编辑这两个基因，研究者创造出在籽粒中累积砷显著减少、同时保持正常产量和关键微量营养素的稻株系。鉴于许多国家对添加外源 DNA 的转基因方法有所限制，这些本土基因编辑靶点以及这些基因的天然变体，为育种者开发低砷稻品种提供了切实可行的途径。从长远看，此类作物可帮助减少依赖稻米为日常主食的数百万人的一项重要隐性砷暴露来源。

引用: 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

关键词: 稻米中的砷, 磷酸盐转运蛋白, 基因编辑作物, 食品安全, 稻米育种