水稻镉积累和耐性机制研究的新进展

来源：湖南省农业科学院2022年4月16日10336008

近日，湖南省农科院杂交水稻研究中心赵炳然研究员团队在国际知名期刊《全环境科学》上发表了题为《OsNRAMP5的敲除》的论文。

最近，湖南省农业科学院研究中心的赵炳然研究员在国际知名期刊《总环境科学》上发表了题为“Osn Ramp 5基因敲除增强水稻对镉毒性的耐受性以应对Varyi”的文章。ng外部镉浓度通过不同机制的研究论文说明了敲除OsNRAMP5以响应环境镉浓度的生理机制。

大米镉超标对我国食品质量安全和产业发展构成严重威胁。OsNRAMP5是水稻吸收镉和锰的主要基因，参与锰从根部向地上部的运输。通过基因编辑、自然突变和理化突变获得的OsNRAMP5功能性缺失突变体，大大降低了对镉的吸收，可使水稻镉含量降低90%以上。因此，敲除OsNRAMP5是降低大米镉超标风险的最经济有效的方法之一。然而，目前OsNRAMP5敲除突变体对不同浓度镉胁迫的镉耐受性和镉锰积累特性的响应和机制仍不清楚。

本研究通过镉浓度梯度水培、镉吸收动态分析和田间小区试验发现，敲除OsNRAMP5可以降低水稻对镉的吸收，但同时会增加镉从根向地上部的转运。随着生长介质中镉浓度的增加，敲除OsNRAMP5减少镉吸收的作用减弱，而其促进镉从根向地上部转运的作用不变。在低镉胁迫到一定程度的高镉胁迫条件下，敲除OsNRAMP5对减少镉吸收的作用大于其促进镉从根向地上部转运的作用，从而减少镉在地上部的积累，减轻或解除镉对生长发育的抑制，增强敲除菌株的耐镉性。然而，当环境中镉的浓度持续增加时，敲除OsNRAMP5促进镉从根部向地上部运输的作用可以抵消甚至超过其减少镉吸收的作用。与野生型植物相比，敲除植物的地上部镉含量不变甚至更高，但耐镉性增强。通过离子群检测、矿质元素缺乏反应基因和金属转运蛋白编码基因的表达分析发现，在高镉胁迫下，野生型植物多种矿质元素缺乏，敲除OsNRAMP5可以部分或全部补充矿质元素的缺乏，从而间接提高耐镉性。此外，还发现水稻对镉和锰吸收的拮抗作用主要是由OsNRAMP5引起的。在不同浓度的镉胁迫下，敲除OsNRAMP5可以促进锰在营养生长期向幼叶和生殖生长期向籽粒的优先分配。

综上所述，随着环境镉浓度的增加，OsNRAMP5转运蛋白对水稻吸收镉的贡献呈下降趋势；从低镉到高镉环境，敲除OsNRAMP5通过不同的生理机制增强水稻的镉耐性，但其对地上部分镉积累的影响是对环境镉浓度的响应，因此osnramp5的镉耐性表型不能用于判断茎、叶和籽粒镉积累的变化。而OsNRAMP5基因的敲除导致地上部的锰优先分配到幼叶或籽粒中，这可以增强osnramp5对环境的适应性。该研究为OsNRAMP5在低镉积累水稻育种中的应用提供了理论参考。

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