人類活動對地球的負面影響不僅影響地球的大氣，還會深入到土壤中。例如，過度施用糞肥或污水污泥會增加種植重要作物的農田中的重金屬濃度。其中一種重金屬是鋅，這是植物和動物健康所必需的微量營養素。然而，過量的鋅會對敏感的植物物種造成極大的傷害。

有些植物天生對鋅有更高的耐受性，這使它們能夠在有毒的環境中茁壯成長，但這背后的生物學原理此前并不清楚。在一項新的研究中，索爾克研究所的科學家們發現了一種幫助植物管理土壤中過量鋅的基因。

研究結果發表在2024年7月11日的《自然通訊》上，揭示了植物通過將鋅捕獲在根細胞壁中來耐受高水平的鋅，這一過程是由一種名為毛狀體雙折射(TBR)的基因促進的�？茖W家和農民現在可以利用這些信息來開發和種植對土壤污染更有抵抗力的作物。提高植物的恢復力是索爾克植物利用計劃的一個主要目標。

“細胞壁的結構就像一個支架，可以從植物的其他部分儲存鋅，如果TBR基因是活躍的，植物可以儲存更多的鋅，”資深作者沃爾夫岡·布施解釋說，他是利用植物倡議的執行董事，也是索爾克植物科學的赫斯主席�！斑@個簡單過程的有趣之處在于，對于暴露在有毒環境中的植物來說，它可能是生與死的區別�！�

細胞壁儲存鋅的能力很大程度上依賴于一種叫做果膠甲基化的過程——這一過程改變了細胞壁內海綿狀果膠分子的結構，使它們能夠吸收更多的鋅。為了更好地理解這一點，研究人員進行了一項全基因組關聯研究，以確定與果膠甲基化增加相關的植物基因。

“我們發現TBR等位基因變異會影響果膠甲基化的變化，并有助于確定植物耐受高鋅水平的能力，”第一作者、布希實驗室前訪問研究生鐘開珍說�！傲私膺@一點非常重要，因為我們現在可以在其他植物中引入或激活這種基因，從而創造出更能適應環境變化的作物�！�

這些最初的實驗是在擬南芥(Arabidopsis thaliana)上進行的，擬南芥是一種小型開花植物，科學家將其作為研究植物生物學的模式生物。研究人員的下一步是看看這個基因是否在其他植物中也有類似的作用，包括重要的作物物種。

為了做到這一點，科學家們把稻谷(Oryza sativa)——一種常見的水稻品種和數十億人的主要作物——放在鋅含量有毒的土壤中。他們專門比較了兩種版本的水稻——一種有功能的TBR基因，另一種沒有——并監測了它們的根系生長情況，作為鋅耐受性的衡量標準。

具有功能性TBR的水稻成功繁殖，證實了這種鋅毒性的生存機制在多個植物物種中是保守的。同樣的試驗也對豆科植物荷花進行了試驗，得出了同樣的結果。

“令人興奮的是，我們的數據表明，這種現象在所有開花植物中都是保守的，它們構成了絕大多數植物物種和糧食作物，”Busch說�！斑@一發現可以用于提高植物對有毒鋅水平的適應能力，并有助于支持我們未來的食物供應�！�

到2080年，世界人口預計將激增至110億，而土壤中的鋅毒性日益普遍，因此必須在開發能夠承受這些條件的作物方面取得進展。這項研究是實現這一目標的重要一步。