袁雪　馬海燕　馬亞飛　陸龍千

摘要?重金屬鎘會給人體健康帶來很大的危害，降低水稻籽粒中的重金屬鎘含量成為了很多學(xué)者研究的內(nèi)容。通過對水稻鎘積累相關(guān)基因家族的概述及近些年的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，希望能從中得到新的研究思路與方向。

關(guān)鍵詞?水稻;家族基因;鎘

中圖分類號?S-3文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.001

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research?Progress?of?Cadmium?Accumulation?Related?Gene?Families?in?Rice

YUAN?Xue，MA?Hai?yan，MA?Ya?fei?et?al?（Agricultural?College，Guangxi?University，Nanning，Guangxi?530005?）

Abstract?Cadmium，a?heavy?metal，can?take?great?harm?to?human?health.Reducing?the?content?of?cadmium?in?rice?grains?has?become?the?research?content?of?many?scholars.By?summarizing?the?gene?families?related?to?cadmium?accumulation?in?rice?and?analyzing?the?research?progress?in?recent?years，this?paper?hopes?to?obtain?new?research?ideas?and?directions.

Key?words?Rice;Family?gene;Cadmium

水稻作為主要的世界糧食作物，在我國種植面積非常廣泛。近年來，由于工業(yè)污染物的排放，土壤鎘污染日益嚴(yán)重，隨之帶來的糧食安全問題也成為了大家聚焦的重點(diǎn)。目前，我國耕地重金屬超標(biāo)率在35%左右，面積將近?2?000萬hm2[1]。大米鎘超標(biāo)會嚴(yán)重威脅人類健康，帶來諸多健康問題，引起多種疾病，比如癌癥、骨質(zhì)疏松、腎結(jié)石等，甚至?xí)绊懼橇Πl(fā)育。探討如何降低水稻對鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，以期降低水稻籽粒中的鎘含量，對食品健康等問題都有著十分積極的作用。

近年來，科學(xué)家們通過兩大途徑降低水稻籽粒中的鎘含量，一種是治理降低農(nóng)田土壤中的鎘含量，以期降低植株的吸收量;另一種是選育低鎘吸收的水稻鎘安全材料，從植物本身來降低其鎘含量。在不斷探索植物體對鎘吸收的生理生化過程中，科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)了水稻中眾多調(diào)控或參與調(diào)控的相關(guān)蛋白，它們所代表的基因家族也陸陸續(xù)續(xù)被挖掘研究。筆者就目前發(fā)現(xiàn)的調(diào)控水稻鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等過程主要的相關(guān)基因家族進(jìn)行概括分析，為今后低鎘積累水稻品種的選育提供相應(yīng)的分子生物學(xué)信息。

1?NRAMP家族

天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白（NRAMP）是由一個大家族組成的完整的膜蛋白。NRAMP蛋白家族作為一種二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體，在從細(xì)菌到人類的各種生物中發(fā)揮著廣泛的作用，用于運(yùn)輸一系列二價(jià)金屬陽離子，包括鐵、錳、鎘和鋅[2-3]。NRAMP基因已在多種植物中得到鑒定（圖1）[4]。在水稻中，NRAMP蛋白家族中有7個成員。它們分別被鑒定為OsNRAMP1、OsNRAMP2、OsNRAMP3、OsNRAMP4、OsNRAMP5、OsNRAMP6和OsNRAMP7。其中，OsNRAMP3參與錳的轉(zhuǎn)運(yùn)[5]，OsNRAMP4參與三價(jià)鋁離子的轉(zhuǎn)運(yùn)[6]。

1.1?OsNRAMP1

OsNRAMP1最早發(fā)現(xiàn)其與水稻體內(nèi)鐵離子的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，是鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在不同遺傳背景的水稻中其表達(dá)量存在顯著差異。OsNRAMP1定位在質(zhì)膜上，主要在根系中表達(dá)。Takahashi等[7]發(fā)現(xiàn)OsNRAMP1基因也參與了水稻對鎘的吸收，在鎘高積累的水稻中是一個非常重要的蛋白。根系中OsNRAMP1表達(dá)水平的差異可以引起不同品種間鎘積累的差異[7]。Tiwari?M等[8]通過在酵母突變體（fet3fet4）中表達(dá)OsNRAMP1，發(fā)現(xiàn)OsNRAMP1可能參與鎘在木質(zhì)部的裝載，使鎘從根轉(zhuǎn)運(yùn)到芽中，但具體是如何影響的還不得而知。

1.2?OsNRAMP2?Zhao等[9]用312份水稻種質(zhì)資源通過全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了14個跟鎘積累有關(guān)的QTLs。新研究發(fā)現(xiàn)的QTL?（qCd3?2）候選基因OsNRAMP2的表達(dá)分析表明，OsNRAMP2主要是在鎘處理后高鎘積累的幼苗中誘導(dǎo)的。在OsNRAMP2的開放閱讀框中，發(fā)現(xiàn)了高、低鎘積累材料之間的4個氨基酸差異。低鎘積累的等位基因顯著提高了酵母對鎘的敏感性和積累。亞細(xì)胞定位分析表明，OsNRAMP2在水稻原生質(zhì)體中表達(dá)。

1.3?OsNRAMP5?OsNRAMP5是水稻根部細(xì)胞參與吸收二價(jià)金屬陽離子的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要吸收Mn2+、Cd2+和Fe2+，同時(shí)負(fù)責(zé)這些離子從根部向地上部的運(yùn)輸，其表達(dá)受根表皮、外皮層、皮層外層及木質(zhì)部周圍組織的限制[10]。研究表明，突變體osnramp5所編碼的缺陷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白顯著降低了根系對鎘的吸收，導(dǎo)致秸稈和籽粒中鎘的含量降低[11]。Tang?L等[12]報(bào)道了利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體基因OsNRAMP5，開發(fā)出低鎘積累、無轉(zhuǎn)基因的秈稻新品系，此方法顯著降低了水稻籽粒中的鎘含量。

1.4?OsNRAMP6

AtNRAMP6定位于細(xì)胞器膜[13]?（具體細(xì)胞器還不清楚），具有Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性。先前發(fā)現(xiàn)的大部分鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因大多是在根部表達(dá)，而楊猛[14]發(fā)現(xiàn)OsNRAMP6具有Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性，且在幼葉中表達(dá)極顯著高于其他組織。由此推斷出OsNRAMP6可能參與幼葉中鎘的解毒，但具體的表達(dá)特點(diǎn)及其功能還并不清楚。

2?HMA家族

P1b型重金屬ATP酶（HMAs）最早是在微生物中發(fā)現(xiàn)的[15]。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，主要分為2個不同的簇，一個是Cu團(tuán)簇，在Cu、Ag轉(zhuǎn)運(yùn)中起作用，另一個是Zn團(tuán)簇，在Zn、Co、Cd、Pb轉(zhuǎn)運(yùn)中起作用（圖2）[16]。研究者們根據(jù)同源比對及酵母雙雜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了擬南芥中第一個具有鎘轉(zhuǎn)運(yùn)活性的HMA成員AtHMA4，屬于Zn團(tuán)簇[17-18]。P1b型重金屬ATP酶家族成員在重金屬運(yùn)輸及穩(wěn)態(tài)平衡方面都起著重要作用[19]。目前與鎘積累有關(guān)的家族基因有OsHMA2和OsHMA3，可能有關(guān)的OsHMA1、OsHMA9目前沒有詳細(xì)的研究進(jìn)展，可能調(diào)控著Zn、Cu或Cd的穩(wěn)定，擬南芥中的AtHMA1定位在葉綠體膜上，主要在綠色組織中表達(dá)[20]。高濃度的銅、鋅和鎘誘導(dǎo)時(shí)，OsHMA9表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，OsHMA9主要表達(dá)在維管束和花藥，經(jīng)過綠色熒光蛋白融合將其定位于質(zhì)膜[21]。

2.1?OsHMA3基因

關(guān)于HMA基因家族在擬南芥中的功能已有很多報(bào)道，其中AtHMA3的功能是將游離的隔轉(zhuǎn)移進(jìn)液泡中，阻止鎘向上轉(zhuǎn)移[22-23]。在此之前關(guān)于水稻該基因還未有報(bào)道。直到Miyadate等[24]通過正向遺傳學(xué)手段克隆出OsHMA3基因，其主要定位在水稻根部，與AtHMA3都是定位在液泡膜上，反向調(diào)控鎘在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。OsHMA3過表達(dá)能夠降低水稻籽粒鎘的積累，使水稻籽粒幾乎不含鎘，對籽粒產(chǎn)量或必需微量營養(yǎng)素濃度幾乎沒有影響，并且也提高了水稻對鎘的耐受性[25]。當(dāng)OsHMA2的啟動子控制OsHMA3的表達(dá)時(shí)，可以通過將更多的鎘隔絕到各個組織的液泡中，有效地減少鎘在水稻籽粒中的積累[26]。秈稻通常比粳稻積累更多的鎘在芽和籽粒中。但是，秈稻和粳稻鎘吸收積累差異的遺傳基礎(chǔ)仍不清楚。Liu?CL等[27]發(fā)現(xiàn)OsHMA3啟動子序列變異的QTL?GCC7是控制秈稻和粳稻籽粒Cd差異積累的重要決定因素。

2.2?OsHMA2基因?OsHMA2是一個重要的Zn和Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與重金屬ATP酶OsHMA3同源但功能完全不同，其C端區(qū)域是轉(zhuǎn)運(yùn)活性區(qū)域，不能缺失[28]。Yamaji等[29]通過構(gòu)建的Tos17插入突變體，發(fā)現(xiàn)在根冠尖端Zn濃度降低，地上部的莖節(jié)和生殖器官中Zn和Cd的濃度降低。這說明OsHMA2在莖節(jié)中的表達(dá)對于Zn和Cd通過韌皮部優(yōu)先運(yùn)輸?shù)桨l(fā)育組織中發(fā)揮著重要作用。完全喪失OsHMA2的功能對于減少鎘從根到芽的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。Takahashi等[30]發(fā)現(xiàn)當(dāng)OsHMA2過量表達(dá)且由OsSUT1啟動子驅(qū)動OsHMA2時(shí)，轉(zhuǎn)基因水稻種子中的鎘含量降低一半，且其他金屬含量基本不變。降低大米中鎘的含量對于降低攝入鎘的風(fēng)險(xiǎn)是迫切需要的，但是保持谷物中其他金屬的平衡是很重要的，如果只降低水稻籽粒中鎘積累的含量而不影響其他農(nóng)藝性狀，這將是非常有意義的。

3?ZIP家族

鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因（ZIPs）是一種膜定位的陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[31-32]。它們普遍存在于原核細(xì)胞、真菌、植物和哺乳動物中。在擬南芥和水稻中，目前發(fā)現(xiàn)了大量的ZIPs基因（圖3）[33]，但是只有少量的ZIPs在植物中進(jìn)行了生物學(xué)功能的檢測。其中水稻中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2個，OsIRT1和OsIRT2;鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白14個，OsZIP1、OsZIP2、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP7、OsZIP8、OsZIP9、OsZIP10、OsZIP11、OsZIP13、OsZIP14、OsZIP16。最近，對來自擬南芥的18個和來自水稻的16個ZIPs進(jìn)行了注釋[34]。

3.1?OsZIP1?OsZIP1在根部和花穗表達(dá)，負(fù)責(zé)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Zn和Cd。在缺Zn誘導(dǎo)下，其表達(dá)上調(diào)[35-36]。

Zheng等[33]曾系統(tǒng)性地研究了擬南芥和水稻本中的ZIPs在鎘脅迫下的表達(dá)調(diào)控。擬南芥主要是根系ZIPs基因表達(dá)上調(diào)，水稻主要是莖ZIPs基因表達(dá)上調(diào)。有趣的是，一些基因，如AtIRT3、AtZIP5、AtZIP12、OsIRT1和OsZIP1，在鎘脅迫下表現(xiàn)出相反的表達(dá)調(diào)控。AtIRT1、OsZIP1和OsZIP3能夠增強(qiáng)對Cd脅迫的敏感性，在酵母細(xì)胞中表達(dá)時(shí)會增加鎘的積累，這意味著它在植物直接吸收鎘方面發(fā)揮了作用。

3.2?OsZIP6

OsZIP6預(yù)測具有8個跨膜螺旋，與AtZIP6同源性較高。OsZIP6在最大分蘗和灌漿中期的莖和根中均有表達(dá)，在莖中的表達(dá)高于根中的。Fe2+、Zn2+和Mn2+缺陷時(shí)，莖和根中OsZIP6表達(dá)增加。OsZIP6的離子轉(zhuǎn)運(yùn)能力與pH有關(guān)，在酸性pH下轉(zhuǎn)運(yùn)活性增強(qiáng)。Co2+、Fe2+和Cd2+可能是OsZIP6底物，底物親和性Co2+>Cd2+>Fe2+，而Zn2+、Ni2+和Mn2+可能不是。此外，當(dāng)Co2+存在時(shí)，OsZIP6對Fe2+的吸收存在競爭性抑制[37]。

3.3?OsIRT1和OsIRT2

水稻中的IRT1基因是通過對擬南芥中的IRT1基因同源克隆得到的，說明此基因序列具有高度的保守性，而OsIRT2基因也是因與OsIRT1高度同源而得以分離出，兩者均在根中表達(dá)，定位在細(xì)胞質(zhì)膜上。OsIRT1主要是吸收Fe2+，而OsIRT2主要吸收Fe3+[38-39]。后來，研究者們發(fā)現(xiàn)了OsIRT1、OsIRT2基因其對Zn、Cd的吸收也具有一定的作用，但是具體的功能及轉(zhuǎn)運(yùn)形式仍不清楚[40-41]。

4?CAX家族

鈣氫離子交換蛋白基因（CAXs）在植物營養(yǎng)和信號轉(zhuǎn)到中發(fā)揮著重要作用。CAXs是調(diào)節(jié)Ca2+濃度的轉(zhuǎn)運(yùn)體之一，有些也參與Cd2+和Mn2+的轉(zhuǎn)運(yùn)。最早是在擬南芥中克隆得到了CAX1和CAX2。根據(jù)氨基酸序列，OsCAXs可分為2個簇，OsCAX1a、OsCAX1b、OsCAX1c屬于IA型，OsCAX2和OsCAX3屬IB型（圖4）[42-45]。

OsCAX1是高親和性的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體，其定位在液泡膜上，參與維持高濃度Ca2+環(huán)境下細(xì)胞內(nèi)Ca2+的動態(tài)平衡。相反，OsCAX2對Ca2+顯示低親和力而過表達(dá)CAX2的煙草植株積累的Ca2+、Cd2+和Mn2+要多于野生型。OsCAX2位于第3號染色體，主要在根和芽中大量表達(dá)。而OsCAX3是一種鈣氫離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，在植物體各部位都有所表達(dá)，也參與Mn2+的轉(zhuǎn)運(yùn)[42-43，45]。

5?LCT家族

水稻籽粒中的鎘主要是通過韌皮部運(yùn)輸積累的。OsLCT1基因?qū)儆谒倔w內(nèi)的低親合力陽離子運(yùn)輸?shù)鞍?，參與調(diào)控鎘在韌皮部向籽粒的運(yùn)輸，定位于細(xì)胞質(zhì)膜。OsLCT1基因敲出時(shí)，籽粒鎘積累量是對照的一半，但其他金屬含量及植株生長無明顯影響[46]。在秈稻Kasalath中研究OsLCT1功能時(shí)發(fā)現(xiàn)，OsLCT1在Kasalath中的表達(dá)高于在Nipponbare中的表達(dá)高且對Cd、K、Mg、Ca和Mn具有外排活性，而對Fe、Zn、Cu和Na沒有外排活性[47]。Liu等[48]通過基因編輯OsLCT1獲得突變體，在鎘含量0.9?mg/kg的稻田中種植，其籽粒中的鎘含量未超出國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2?mg/kg）。

目前對于水稻低親合力陽離子運(yùn)輸?shù)鞍准易寤颍∣sLCTs）的報(bào)道并不多，對OsLCT1的功能研究也不夠深入。由于水稻中只存在該基因的一個拷貝，且對參與多種金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，因此OsLCT1也可用于開發(fā)新的耐鹽品種。

6?討論

從上述的研究成果來看，關(guān)于鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的功能基因很多都還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的功能研究，因此對于水稻體內(nèi)鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)通路并不十分清楚，不同基因家族的聯(lián)合功能分析也并不常見，多見于研究改變外部環(huán)境來影響相關(guān)基因表達(dá)的研究。此外，當(dāng)研究上述家族基因的功能時(shí)，研究者大多利用突變體來研究，極少使用遺傳群體來進(jìn)行研究，比如近等基因系。并且，關(guān)于特異性吸收運(yùn)輸鎘的相關(guān)基因報(bào)道并不常見，比如OsHMA3。鎘特異性轉(zhuǎn)運(yùn)基因或QTLs的發(fā)現(xiàn)給后續(xù)培育低鎘積累水稻品種工作提供了更好的思路。

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