出品：科普中國

製作：中國科學院遺傳與發育生物學研究所代茂

監製：中國科學院計算機網路信息中心

近日，在2017年國家水稻新品種與新技術展示現場觀摩會上，中國工程院院士、美國國家科學院外籍院士、「世界雜交水稻之父」袁隆平先生宣布：繼「海水稻」技術後又獲得了一項重大突破成果——水稻親本去鎘技術。

水稻親本去鎘技術到底是啥？為啥要去鎘？它與「海水稻」有什麼區別？

鎘與鎘污染

這裡，小編有必要向大家先介紹一個長期被國人忽視的重大食品安全問題——大米的重金屬鎘污染。雖然各地陸續有鎘污染事件的報道，卻一直未引起國人足夠的注意。

鎘，元素符號Cd，1817年由德國科學家在碳酸鋅中發現，屬於元素周期表第五周期IIB族，是一種具有韌性、可塑性的銀白色有光澤金屬，六方稜錐晶體。原子序數即核電荷數48，相對分子質量112.41，密度（20 ℃）8.64 g × cm-3，烙點320.9 ℃，沸點765 ℃。

鎘的溶沸點相對較低，化學性質並不活潑，可溶於酸，不溶於鹼，易在物體表面形成保護層，常被用作染料（鎘黃的主要成分）、鋼鐵的防腐電鍛層、配置合金的添加元素、低溶點釺焊材料、製作鎳鎘與銀鎘電池的原料、以及核反應堆的控制棒等。

全世界鎘儲量約為50萬噸，我國鎘儲量在全球範圍內是最高的，存儲量為9.2萬噸，佔全球總量的18.4%。天然存在的鎘礦並非單一純凈的鎘礦石，往往與鉛鋅等元素以化合物的形式相伴存在。自然來源的鎘在土壤中存在的形式較為穩定，但是如果土壤中存在較高含量的自然來源鎘，在該地種植的農作物，特別是糧食作物就會有較高的鎘含量。好在這類天然存在的高鎘土壤一般情況下也不至於對植物和人類的健康構成迫在眉睫的威脅，相反人類活動帶入土壤的鎘往往危害更大、更緊急。

人為來源的鎘是工農業等人類活動過程中輸入土壤環境中的鎘。我國工業生產每年排放的未經處理的污水約400億立方米，這是導致我國農田鎘污染的主要原因。鎘主要用於電池、染料或塑膠的穩定劑，當我們隨意丟棄廢舊電池時，土壤中的鎘元素含量也會逐漸升高，形成污染。

我國曾發生多次鎘污染相關的急性環境公害事件，包括2005年「廣東北江鎘污染」事件，2009年湖南「長沙湘和化工廠鎘污染」事件以及2012年廣西龍江河拉浪段「重金屬鎘污染」事件，但所幸環保部門發現及時，妥善處置，事故造成的影響較小、危害輕微。

2014年，我國官方環保與土地部門聯合發布了《全國土壤污染狀況調查公報》，報告的形成歷時8年，報告指出鎘的點位超標率佔7%，是所涉無機污染物超標點位率最高的，且遠高於其它化學元素。

鎘對人體的危害

作為重金屬元素，鎘具有很強的毒性。聯合國環境規劃署曾在上世紀80年代提出12種在全球範圍內均具有危害意義的物質，鎘位列第一，而其對人體的毒性則僅次於汞（水銀），位列第二。

鎘在人體內的半衰期約為10-30年，鎘被人體吸收後，主要累積在肺、肝、腎等器官中。研究表明，腎臟可吸收進入體內近1/3的鎘，是鎘中毒的「靶器官」。由於鎘損傷腎小管，病者出現糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特別可使骨骼的代謝受阻，造成骨質疏鬆、萎縮、變形等一系列癥狀。還可導致高血壓、腎功能紊亂、肝損害、肺水腫、貧血等疾病以及神經和大腦損傷, 甚至誘發癌症。

此次袁隆平院士提到的關於水稻親本去鎘技術的重大突破，將水稻與鎘聯繫到了一起。水稻里怎麼會有鎘呢？這就要從植物吸收角度來說了。

鎘對植物的影響

雖然鎘不是植物的必需元素，但植物並不排斥對鎘的吸收，又因土壤中的鎘有較強的向植物根系遷移的能為，因此植物往往容易富集鎘。植物種植在鎘污染的土地上，會危害植物對氮、磷、鉀等必需營養元素的吸收利用和轉運，鎘能夠通過多種方式干擾植物正常的光合作用、呼吸作用等生理過程，也會對植物酶系統，營養元素代謝，細胞形態與功能等方面產生嚴重影響。

科學家的研究發現，水稻本身擁有的某些獨特基因，使水稻根系吸收土壤中鎘的能力較強，比如：水稻對於鎘污染的吸附作用明顯強於玉米、大豆等其他的作物品種。而這些吸附的鎘會在水稻的米粒中大量富集，所以鎘污染在水稻米粒中表現得尤為突出。

一旦人直接食用這些鎘米，或者家禽等吃了在生物體內富集，通過食物鏈進入人體，都會引起慢性中毒，嚴重威脅人類健康。此外，稻米作為東亞地區最主要的糧食作物，在多地餐桌上屬於不可或缺的角色。東亞地區的飲食結構，也無形中促進了鎘通過稻米向人體轉移的過程。

說到這裡，就不得不提1931年震驚世界的日本富山縣「痛痛病」鎘米事件。

位於日本中部地區的富山縣，從20世紀初期開始，水稻普遍生長不良。1931年又出現了一種怪病，患者大多是婦女，病症表現為腰、手、腳等關節疼痛。

病症持續幾年後，患者全身各部位會發生神經痛、骨痛現象，行動困難，甚至呼吸都會帶來難以忍受的痛苦。到了患病後期，患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質鬆脆，就連咳嗽都能引起骨折。患者不能進食，疼痛無比，常常大叫「痛死了！」「痛死了！」有的人因無法忍受痛苦而自殺。這種病由此得名為「骨癌病」或「痛痛病」（Itai-Itai Disease）。

1946-1960年，日本醫學界從事綜合臨床、病理、流行病學、動物實驗和分析化學的人員經過長期研究後發現，「骨痛病」是由於當地的神通川上游的神岡礦山廢水引起的鎘（Cd）中毒，用這種含鎘的水澆灌農田，生產出來的稻米成為「鎘米」。「鎘米」和「鎘水」把神通川兩岸的人們帶進了「痛痛病」的陰霾中。

「痛痛病」事件後續

發生在日本富山縣的神通川污染事件中，從神田礦山的採礦活動中泄露或排放到神通川中的鎘經過縱橫交錯的灌溉水道系統進一步擴散到水田中，逐漸富集下來。

上世紀70年代，距離痛痛病被媒體廣泛披露已經過去了十幾年，伴隨著對受害者的賠償等善後工作的展開，富山縣政府對神通川沿岸農地進行了鎘含量的精確測定。

結果表明，神通川左、右岸分別有1480和1648公頃土地被認定為遭受了鎘污染，其中的1500公頃被認定為需要重新對土質進行無害化去鎘處理。在這一區域內，鎘含量最高達到2.0 ppm，表層、深層土壤中的平均含量分別為1.12和0.7 ppm。

由於水稻對鎘元素的富集作用，在以上區域內，即便採樣土壤中的鎘含量相對較低，水稻脫殼糙米中仍然含有相當高的鎘含量。

根據日本食品衛生法中的基準值，富山縣認定糙米中鎘含量超過1.0 ppm即為污染米。受此影響，230個檢出地點的水稻種植被迫暫停，農戶得到了三井金屬礦業集團的相應補償。鎘含量在0.4 ppm到1.0 ppm之間的糙米被認定為準污染米，經鐵丹（主要成分為三氧化二鐵的傳統染料）染色後作為工業用糊精銷往相關企業。

由於作為食用米與作為工業原料的「事故米」（註：日文說法，泛指黃曲霉素，鎘元素等毒物超標的大米）之間存在銷售價格上的顯著落差，以守法著稱的日本企業界也不免產生鋌而走險的害群之馬。2008年，總部位於大阪的三笠食品株式會社，多年以來以事故米冒充食用米進行銷售的罪行遭到揭露，日本國內一片嘩然，該事件最終導致了日本當時的農林水產大臣太田誠一的辭任。

事件風波後，日本政府規定，鎘含量超過0.4 mm的糙米一律進行焚化處理，不再用於工業用途，受到該規定影響的准污染米據稱每年有1000噸之多。

世界各國大米鎘污染現狀

關於稻米鎘超標的食品安全問題也正在成為中國社會關注的熱點，國家農業部稻米質量監督檢驗中心也曾對我國市場的稻米進行安全性抽檢，結果發現鎘超標率高達10.3%。

詳細的數據分析顯示：南方市場上稻米的鎘污染比北方更嚴重，如江西、湖南的一些縣市，稻米鎘超標的問題非常突出。雖然湖南是「鎘米」事件爆發的主要省份，但實際上存在大米鎘超標問題的省份遠不止這一個，鎘污染等土壤環境惡化帶來的稻米等農產品的質量問題已成為危害我國的戰略安全問題。

據報道，我國居民平均人體鎘攝入量是美澳等國的兩倍多，所幸，與世界多國相比，我國的大米鎘污染狀況還不算是最為嚴重的。

我國2013年6月1號開始執行的新版食品安全國家標準《食品中污染物限量》(GB2762-2012)中規定，大米鎘含量不得超過0.2 ppm。應該說這一數值在世界各國中都是相對低的，這得益於我國鎘含量超標的土地佔耕地面積的比例較低，因此實施相對嚴格的標準也有充足的操作空間。

日本即使經歷了「痛痛病」這樣的嚴重公害事件，市售大米的平均鎘含量仍然要超過我國，這是由日本高鎘土質的資源國情所決定的。很多人迷信日本大米的高品質，花了大價錢買來的海淘高價米，鎘含量還可能稍稍高過普通國產米。當然，日本大米的口感還是值得品鑒的，這裡並無貶低之意。

除了日本之外，大米中鎘含量較高的國家還有印度、斯里蘭卡、孟加拉國、伊朗、哥倫比亞等國，超標原因除去工業污染之外，主要來自於當地土壤自身較高的鎘含量。可見，稻米除鎘乃是世界性的健康議題，具有深遠的現實意義。

大米除鎘技術

世界上目前在開發以及應用中的大米除鎘技術主要有：土壤改造法、鎘稻吸收法以及輻照育種法等。高鎘土質遍布全國的日本在這幾項技術的開發和應用中具有相對領先的技術實力。這兩種技術與此次袁隆平院士開發的水稻親本去鎘技術屬於三個完全不同的技術路線。

土壤改造法利用化學試劑淋洗去除鎘，或者直接利用鎘含量較低的土質替換高鎘土，技術含量較低，成本較高，並且額外加入的化學試劑長期的環境穩定性仍然存有疑問。該技術的好處是具有立竿見影的除鎘效果，日本富山縣的數個污染區域都是採用土壤改造的方式加以修復還原的。

鎘稻吸收法則是利用了水稻富集鎘元素的特性。水稻是一個品系眾多的作物種類，很多水稻品種並非食用稻種，但是他們卻具備更強的富鎘能力。在高鎘土壤中種植此種水稻，經過3到5年的周期，可以使土壤中的鎘含量降低到之前的一半以下。用這種經過脫鎘處理的土壤進行稻米種植，自然可以降低大米中的鎘含量。該方法的好處是不會引入額外的環境風險，不過長周期必定帶來相當高的實施成本。

輻照育種利用放射源處理植物種子，誘發育成植株的突變。再根據突變後的性狀和育種要求，對突變體進行選擇以及鑒定。該方法的優點是變異頻率可以達到自然狀態下的1000倍，並且突變後的性狀具有廣譜性，植株形態、結構以及生理生化等方面均可發生深刻變化。

不過輻照育種的缺陷也十分明顯，發生誘變的方向難以控制，隨機性巨大，同時產生的有利突變較少，大部分是劣變體。簡單來說就是霰彈槍打遠靶，雖然子彈飛出去不少，能不能命中卻全看運氣。

此次袁老開發的親本除鎘技術，雖然在技術細節上仍然不為公眾所知，但是顯然與以上幾種方式截然不同。

日前袁老在「雙新會」上宣布：「近期我們在水稻育種上有了一個突破性技術，可以把親本中的含鎘或者吸鎘的基因『敲掉』，親本乾淨了，種子自然就乾淨了。」

親本除鎘技術從根本上改造了水稻，讓水稻從容易富集鎘的植物變成對鎘吸收較少的植物，自然會相應降低水稻稻種也就是大米中的鎘含量。下面我們就從媒體此次報道的細枝末節中，試圖還原水稻親本去鎘技術的本尊。

水稻親本去鎘技術

不同水稻品種對於鎘污染的積累是不同的，一般認為超級稻是不同水稻品種中向籽粒轉運鎘的能力最強的，其次是雜交稻，最後是常規稻。

研究人員還發現不同類型和品種的水稻稻米中含鎘量存在較大的差異，其結果為：特種稻>常規早秈稻>三系雜交晚稻>兩系雜交晚稻>常規晚稻>常規粳稻>爪哇稻；而不同水稻品種類型間對鎘的吸收積累量一般認為：秈稻>粳稻，新株型稻介於二者之間。研究發現各水稻品種對鎘吸收積累能力的不同是由於各水稻品種的基因型間的差異所致。這些優質的鎘吸收的基因型位點主要分布在中國科學家多年來收集的水稻種質資源庫中，水稻功能基因組學的研究者們目前正通過對這些基因位點的分子克隆和功能驗證，逐步解析控制水稻鎘吸收等性狀的關鍵基因。進而將這些科學成果與設計育種思路相結合，將會培育出一批優質、高產、耐鎘的優良水稻新品種。

目前我們並未得到確切信息闡述袁隆平院士這一關鍵技術是如何實現（可能技術保密哦），小編大膽猜測可能是通過如下兩種方式：第一種是袁隆平院士在水稻的種質資源庫中發現了水稻鎘吸收關鍵基因『失效』的材料A，該材料A在鎘污染的土地上能夠正常生長，所結的稻米不含重金屬鎘，將該材料A作為親本製備雜交稻，雜交稻將保持親本乾淨的背景，稻米也不含重金屬鎘污染。

第二種方式是袁隆平院士通過生物技術手段發現了水稻鎘吸收的關鍵基因，並利用水稻育種技術將該基因成功去除獲得了親本材料，進一步用這些親本培育的水稻品種將不能吸收土地中的鎘，稻米中也不含鎘污染。那些鎘污染土地上也將可以種上成片成片的稻田，也將結出無污染、綠色優質的稻米。

此次水稻親本去鎘技術的成功，袁隆平院士又對水稻育種技術創新做出了巨大的貢獻。他過去解決了中國人的「吃得飽」問題，現在又解決了中國人乃至全人類「吃得安全」這一難題。

近年來，中國的水稻研究連續取得了突破性進展，國際著名學術期刊《自然·植物》專門撰文介紹了中國水稻研究從跟蹤到領跑的過程，將這樣的表現稱之為「中國的復興」。在袁隆平作為開創者及帶頭人的中國科學家團體的共同努力下，中國水稻研究正走在世界前列。袁老辛苦了！

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