近日，湖南省農業(yè)科學院雜交水稻研究中心趙炳然研究員團隊在國際知名期刊Science of the Total Environment （環(huán)境科學一區(qū)，TOP期刊）發(fā)表了題為“Knockout of OsNRAMP5 enhances rice tolerance to cadmium toxicity in response to varying external cadmium concentrations via distinct mechanisms” 的研究論文，闡明了敲除OsNRAMP5對不同濃度鎘脅迫的響應機制。

 

　　稻米鎘超標對我國糧食質量安全和水稻產業(yè)發(fā)展構成嚴重威脅。OsNRAMP5是水稻吸收鎘、錳的主效基因，并參與錳從根部向地上部的運輸?；蚓庉嫛⒆匀煌蛔兒屠砘T變獲得的OsNRAMP5功能缺失突變體對鎘的吸收均大幅度降低，可使稻米鎘含量下降90%以上，因此敲除OsNRAMP5是降低稻米鎘超標風險的有效途徑。但目前OsNRAMP5敲除突變體的鎘耐受性及鎘、錳積累特性對不同濃度鎘脅迫的響應及其機制尚不清晰。

 

　　該研究通過鎘濃度梯度水培、鎘吸收動力學分析和田間小區(qū)試驗，發(fā)現敲除OsNRAMP5可降低水稻鎘吸收，但同時會增加鎘從根部向地上部的運輸；隨著生長介質中鎘濃度的升高，敲除OsNRAMP5降低鎘吸收的效應減弱，而其促進根部鎘向地上部運輸的效應不變。在一定程度鎘脅迫條件下，敲除OsNRAMP5降低鎘吸收的效應大于其促進根系鎘向地上部運輸的效應，從而減少了地上部的鎘積累，緩解或解除了鎘對生長發(fā)育的抑制作用，增強了敲除株系的鎘耐受性。但當環(huán)境鎘濃度繼續(xù)增高，敲除OsNRAMP5促進根系鎘向地上部運輸的效應可抵消甚至超過其降低鎘吸收的效應，與野生型植株相比，敲除株系地上部的鎘含量不變甚至更高，但鎘耐受性增強；通過離子組檢測、礦質元素缺乏響應基因和金屬轉運體編碼基因的表達分析，發(fā)現在高鎘脅迫下，野生型植株出現多種礦質元素的缺乏，敲除OsNRAMP5可部分或完全回補礦質元素的缺乏，從而間接提高鎘耐受性。此外，該研究還發(fā)現水稻拮抗吸收鎘、錳的效應主要由OsNRAMP5引起；不同濃度的鎘脅迫下，敲除OsNRAMP5均可促使地上部的錳在營養(yǎng)生長期優(yōu)先分配到幼葉，在生殖生長期優(yōu)先分配到籽粒。

 

　　綜上所述，隨著環(huán)境鎘濃度的升高，OsNRAMP5轉運蛋白對水稻鎘吸收的貢獻呈降低趨勢；從低鎘到高鎘環(huán)境，敲除OsNRAMP5對地上部鎘積累的效應受環(huán)境鎘濃度影響，以不同的生理機制增強水稻的鎘耐受性，因此不能通過OsNRAMP5的鎘耐受表型判斷其莖葉和籽粒的鎘積累變化；而OsNRAMP5敲除導致地上部的錳優(yōu)先分配到幼葉或籽粒，可增強OsNRAMP5對環(huán)境的適應性。該研究為OsNRAMP5在鎘低積累水稻育種中的應用提供了理論參考。

 

　　院雜交水稻研究中心唐麗副研究員和湖南大學已畢業(yè)碩士生董家瑜為論文的共同第一作者，趙炳然研究員為論文的通訊作者。該研究得到了國家水稻產業(yè)技術體系、湖南省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155006