近日,湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院雜交水稻研究中心趙炳然研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Science of the Total Environment 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(duì)環(huán)境鎘濃度響應(yīng)的生理機(jī)制。
稻米鎘超標(biāo)對(duì)我國(guó)糧食質(zhì)量安全和水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)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轉(zhuǎn)運(yùn)?;蚓庉?、自然突變和理化誘變獲得的 OsNRAMP5功能缺失突變體對(duì)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(biāo)風(fēng)險(xiǎn)最經(jīng)濟(jì)、有效的途徑之一。但目前OsNRAMP5敲除突變體的鎘耐受性及鎘、錳積累特性對(duì)不同濃度鎘脅迫的響應(yīng)及其機(jī)制尚不清晰。
該研究通過(guò)鎘濃度梯度水培、鎘吸收動(dòng)力學(xué)分析和田間小區(qū)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)敲除OsNRAMP5可降低水稻鎘吸收,但同時(shí)會(huì)增加鎘從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn);隨著生長(zhǎng)介質(zhì)中鎘濃度的升高,敲除OsNRAMP5降低鎘吸收的效應(yīng)減弱,而其促進(jìn)根部鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的效應(yīng)不變。在低鎘脅迫到一定程度高鎘脅迫條件下,敲除OsNRAMP5降低鎘吸收的效應(yīng)大于其促進(jìn)根系鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的效應(yīng),從而減少了地上部的鎘積累,緩解或解除了鎘對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用,增強(qiáng)了敲除株系的鎘耐受性。但當(dāng)環(huán)境鎘濃度繼續(xù)增高,敲除OsNRAMP5促進(jìn)根系鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的效應(yīng)可抵消甚至超過(guò)其降低鎘吸收的效應(yīng),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(qiáng);通過(guò)離子組檢測(cè)、礦質(zhì)元素缺乏響應(yīng)基因和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體編碼基因的表達(dá)分析,發(fā)現(xiàn)在在高鎘脅迫下,野生型植株出現(xiàn)多種礦質(zhì)元素的缺乏,敲除OsNRAMP5可部分或完全回補(bǔ)礦質(zhì)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(yīng)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期優(yōu)先分配到幼葉,在生殖生長(zhǎng)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)水稻鎘吸收的貢獻(xiàn)呈降低趨勢(shì);從低鎘到高鎘環(huán)境,敲除OsNRAMP5以不同的生理機(jī)制增強(qiáng)水稻的鎘耐受性,但對(duì)地上部鎘積累的效應(yīng)響應(yīng)環(huán)境鎘濃度,因此不能通過(guò)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(dǎo)致地上部的錳優(yōu)先分配到幼葉或籽粒,可增強(qiáng)osnramp5對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。該研究為OsNRAMP5在鎘低積累水稻育種中的應(yīng)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(xué)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(guó)家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155006