人类活动对地球的负面影响不仅影响地球的大气层，还影响更深，深入土壤。例如，过量施用粪肥或污水污泥会增加种植重要作物的农田中重金属的浓度。锌是这些重金属之一，它是植物和动物健康所必需的微量营养素。然而，过量的锌会对敏感植物物种造成极大的破坏。

有些植物天生对锌有较高的耐受性，这使得它们在有毒的环境中也能茁壮成长，但其背后的生物学原理尚不清楚。在一项新研究中，索尔克研究所的科学家发现了一种基因，可以帮助植物管理土壤中过量的锌。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上，揭示了植物通过将锌困在根细胞壁中来耐受高浓度锌，这一过程由一种名为毛状体双折射或 TBR 的基因促进。科学家和农民现在可以利用这些信息来开发和种植更能抵御土壤污染的作物。增强植物的适应力是索尔克植物驾驭计划的主要目标。

“细胞壁的结构就像一个支架，可以将锌储存在植物其他部分之外，如果 TBR 基因活跃，植物就可以储存更多的锌，”资深作者、索尔克生物技术研究所植物科学赫斯主席、教授沃尔夫冈·布施 (Wolfgang Busch) 解释说。“这个简单过程的有趣之处在于，对于暴露在有毒环境中的植物来说，它可能就是生死之间的差别。”

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酯化的过程——这个过程会改变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，以确定与果胶甲酯化增加相关的植物基因。

“我们发现 TBR 等位基因变体会影响果胶甲酯化的变化，并有助于确定植物耐受更高锌水平的能力，”第一作者、Busch 实验室前客座研究生 Kaizhen Zhong 说道。“了解这一点非常重要，因为我们现在可以将这种基因引入或激活到其他植物中，以创造出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，这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型生物。研究人员的下一步是看看这种基因是否在其他植物(包括重要的农作物品种)中发挥类似的作用。

为了实现这一目标，科学家们将水稻(一种常见的水稻品种，也是数十亿人的主食作物)放入含有有毒锌含量的土壤中。他们特别比较了两种水稻品种(一种带有功能性 TBR 基因，一种不带有)，并监测了它们的根系生长情况，以此作为对锌的耐受性衡量标准。

含有功能性 TBR 的水稻生长旺盛，证实了这种锌毒性生存机制在多种植物物种中都得到了保留。对豆科植物日本莲花也进行了同样的测试，得到了同样的结果。

“令人兴奋的是，我们的数据表明这种现象在所有开花植物中都存在，而开花植物占植物种类和粮食作物的绝大多数，”Busch 说。“这一发现可以用于提高植物对有毒锌水平的抵抗力，并有助于支持我们未来的粮食供应。”

预计到 2080 年，世界人口将激增至 110 亿，土壤中锌中毒现象日益普遍，因此必须开发出能够耐受这些条件的作物。这项研究是朝着实现这一目标迈出的重要一步。

其他作者包括索尔克生物研究所的 Matthieu Pierre Platre、何文荣、张玲、Anna Małolepszy 和曹敏;中国国家水稻研究所的张鹏、魏祥金、胡世凯和唐少卿;索尔克生物研究所和中国浙江大学的李宝海;以及中国国家水稻研究所和江西农业大学的胡培松。

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