湖南省農業(yè)科學院趙炳然揭示敲除OsNRAMP5對鎘脅迫的響應機制

　　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?、自然突變和理化誘變獲得的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(xiàn)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?shù)男蛔?。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?shù)男瑥亩鴾p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?shù)男傻窒踔脸^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(xiàn)在高鎘脅迫下，野生型植株出現(xiàn)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(xiàn)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