李東屏,郝小花,陳良碧,田連福

(1.湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410081；2.湖南文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,中國(guó)湖南常德415000)

鎘(cadmium,Cd)是一種重金屬元素,自然條件下土壤本底Cd含量很低。然而,人類(lèi)的活動(dòng),如采礦、冶煉化工等工業(yè)生產(chǎn)、污水灌溉、肥料施用等,導(dǎo)致部分耕地Cd含量顯著增加。目前國(guó)內(nèi)約有27.8萬(wàn)公頃的耕地被Cd污染[1～2]。

水稻從稻田吸收Cd并在稻米中積累,人們?cè)谑秤煤珻d的大米后,大部分Cd會(huì)被吸收并積累在體內(nèi)產(chǎn)生毒性,危害人體健康。Cd在人體器官中積累,其中腎臟和肝臟的積累量占體內(nèi)Cd總量的約60%。長(zhǎng)期的Cd毒性易導(dǎo)致臟器功能受損,嚴(yán)重的甚至誘發(fā)癌變[3～5]。

已有大量的研究表明,遺傳因素對(duì)Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)起重要調(diào)控作用。在相同環(huán)境條件下,水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累Cd的能力存在遺傳多樣性[6～9]。同時(shí),環(huán)境因素一方面對(duì)稻田Cd形態(tài)有重要影響,如土壤酸堿度(pH值)、氧化還原狀態(tài)(Eh)、其他離子的含量、土壤微生物等會(huì)影響游離態(tài)Cd的含量,從而影響水稻的Cd吸收；另一方面環(huán)境因素的變化也會(huì)影響水稻相關(guān)基因的表達(dá),從而可能影響水稻Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。因此,施用石灰、硒、硅等及全程淹水、施加含有益微生物的菌肥等措施,能鈍化稻田中的Cd,進(jìn)而有效降低水稻根系的Cd吸收,是重要的應(yīng)急農(nóng)藝措施,但在執(zhí)行的可持續(xù)性、易操作性或環(huán)境友好方面存在一些不足[10～14]。要在Cd污染的稻田生產(chǎn)出Cd含量達(dá)標(biāo)的稻米,主要得依靠篩選和培育低Cd水稻品種。因此,闡明影響水稻Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及Cd在器官間運(yùn)輸分配的遺傳調(diào)控因子,可以為低Cd水稻育種提供理論指導(dǎo)。近年來(lái),對(duì)水稻Cd積累遺傳調(diào)控方面的研究取得了較大進(jìn)展。本文綜述了影響水稻Cd積累的遺傳因素及籽粒低Cd積累分子育種的相關(guān)研究進(jìn)展。

1 遺傳因素對(duì)水稻Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的影響

1.1 水稻鎘積累QTL定位及Cd基因克隆

基于穩(wěn)定的低Cd積累和高Cd積累水稻資源,研究者們構(gòu)建了多個(gè)群體,并將數(shù)十個(gè)Cd連鎖數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait locus,QTL)定位到12條染色體的特定區(qū)域(表 1)[15～36]。例如,qCdT7/qGCd7作為Cd積累的主要QTL,被定位于7號(hào)染色體的短臂上[22～24]。利用與Cd緊密連鎖的QTL,可以進(jìn)一步精細(xì)定位,克隆到Cd基因,也可以開(kāi)發(fā)出與Cd積累特性關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記,在分子聚合育種中起輔助作用。

表1 水稻Cd積累QTLsTable 1 QTLs for Cd accumulation in rice

到目前為止,已通過(guò)QTL定位鑒定出3個(gè)Cd相關(guān)基因。OsHMA3編碼一種P型ATPase蛋白,定位于所有根細(xì)胞的液泡膜。低Cd積累品種中的OsHMA3具有正常功能,它能將Cd螯合到根液泡中,從而減少Cd由根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),降低Cd在地上部和籽粒中的含量。然而,高Cd積累秈稻品種Anjana Dhan的OsHMA3等位基因突變,導(dǎo)致蛋白功能缺失,不能將Cd螯合到根液泡中,導(dǎo)致高Cd品種根-地轉(zhuǎn)運(yùn)率提高[25～26]。CAL1是通過(guò)QTL克隆到的第2個(gè)Cd基因,編碼一個(gè)類(lèi)防衛(wèi)素蛋白,富含半胱氨酸殘基,能夠把Cd螯合在葉組織中但不轉(zhuǎn)移到籽粒[27]。OsCd1是主要易化子超家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,定位在質(zhì)膜上,調(diào)控Cd吸收及籽粒Cd積累[28]。OsCd1中一個(gè)具有錯(cuò)義突變的自然變異(Val449Asp)是導(dǎo)致秈稻和粳稻之間水稻籽粒Cd積累差異的原因之一。

1.2 Cd轉(zhuǎn)運(yùn)體基因

利用各種正向和反向遺傳學(xué)手段,目前已從水稻中克隆和鑒定出數(shù)十個(gè)Cd積累相關(guān)基因,其中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)體基因在Cd吸收和Cd分配中起著關(guān)鍵的作用(表2)。

1.2.1 自然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白(NRAMP)家族基因

NRAMP是跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族,參與抗病及多種離子轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。水稻NRAMP基因家族包含7個(gè)成員[37],其中3個(gè)介導(dǎo)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。Os-NRAMP5是迄今為止發(fā)現(xiàn)的參與水稻根部Cd吸收最重要的基因,該基因突變阻斷了根部Cd吸收,使得即使在高Cd污染稻田中,osnramp5突變體中的Cd積累量也顯著下降,是低Cd水稻育種的關(guān)鍵靶基因[38～42]。OsNRAMP5主要在水稻根中表達(dá),包括根表皮、皮層和維管束近木質(zhì)部的薄壁細(xì)胞,同時(shí)在穎殼、葉片和葉鞘等組織也有低表達(dá),暗示OsNRAMP5不僅參與Cd吸收,還參與Cd在水稻組織中的遷移。有趣的是,OsNRAMP5的過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻也顯著降低了地上部分,包括籽粒的Cd含量,只增加了根中Cd積累量[43]。Os-NRAMP5過(guò)表達(dá)水稻根尖組織中OsNRAMP5的定位和極性發(fā)生改變,使得更多吸收的Cd被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)了根部細(xì)胞,而不是通過(guò)徑向運(yùn)輸通路轉(zhuǎn)運(yùn)到中柱裝載進(jìn)木質(zhì)部,導(dǎo)致根部Cd積累比野生型高,但地上部分的Cd顯著低于野生型[43]。正常情況下，OsNRAMP5介導(dǎo)錳和鐵在水稻體內(nèi)的吸收、根-莖轉(zhuǎn)運(yùn)以及在根和葉中的分布,在維持水稻體內(nèi)錳、鐵離子的動(dòng)態(tài)平衡中起著重要作用[38～40,44]。osnramp5強(qiáng)突變體中必需微量元素錳的含量大幅下降,導(dǎo)致農(nóng)藝性狀(如株高、穗型、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量)受到顯著影響,但增加根際環(huán)境中的錳離子含量可以部分回復(fù)突變對(duì)農(nóng)藝性狀的負(fù)效應(yīng),或者在不同OsNRAMP5位點(diǎn)進(jìn)行突變,可以培育出既不影響農(nóng)藝性狀又能大幅減低Cd吸收的弱突變體材料[41～43,45]。OsNRAMP5過(guò)表達(dá)對(duì)水稻的株高、穗型和產(chǎn)量也有一定的負(fù)效應(yīng)[43]。

除了OsNRAMP5,家族成員OsNRAMP1也可以吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd和Mn[46～47]。OsNRAMP1主要在根部除中央維管組織外的其他細(xì)胞和葉肉細(xì)胞的質(zhì)膜上表達(dá),受Cd處理和缺Fe誘導(dǎo)。OsNRAMP1基因敲除突變體osnramp1的根和地上部分包括籽粒中的Cd和Mn積累顯著降低,與osnramp5突變體的Cd和Mn積累表型相似,但osnramp1突變體降低Cd和Mn的能力要小于osnramp5,且osnramp1 osnramp5雙突變體中Cd和Mn的積累量比單突變體降得更多[47]。不同Cd積累品種間OsNRAMP1蛋白的氨基酸序列無(wú)顯著差異,但不同Cd積累品種間OsNRAMP1蛋白的表達(dá)水平存在顯著差異。高Cd品種的OsNRAMP1蛋白表達(dá)水平顯著高于低Cd品種[46]。OsNRAMP1在擬南芥異源的過(guò)表達(dá)增加Cd在葉片中的積累,OsNRAMP1還參與As3+的轉(zhuǎn)運(yùn)[48]。另外,OsNRAMP1在酵母中顯示有轉(zhuǎn)運(yùn)Fe的活性,但在突變體osnramp1中未能觀察到Fe相關(guān)表型,暗示OsNRAMP1可能與其他轉(zhuǎn)運(yùn)體在水稻Fe吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)中存在功能冗余[48]。

此外,OsNRAMP2也參與Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)。Os-NRAMP2定位在液泡膜上,通過(guò)介導(dǎo)Cd從液泡到細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸參與籽粒Cd積累[49]。

OsNRAMP其他成員參與Mn、Fe或Al的運(yùn)輸,但不運(yùn)輸Cd。其中,OsNRAMP3介導(dǎo)錳在水稻中的分布,參與錳從老葉運(yùn)輸?shù)叫氯~的再分配[50～51]。OsNRAMP4/OsNrat1介導(dǎo)根細(xì)胞對(duì)Al3+的吸收并促進(jìn)鋁解毒[52～53],還可能介導(dǎo)Cs吸收[54]。OsNRAMP6在酵母中表達(dá)具有鐵和錳的轉(zhuǎn)運(yùn)活性,但是否在水稻鐵和/或錳/或Cd的吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)中起作用尚不清楚[55]。

1.2.2 P型重金屬ATP酶(HMA)家族基因

HMA是一種利用ATP水解釋放的能量驅(qū)動(dòng)重金屬離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)體。水稻HMA基因家族共有9個(gè)成員,其中OsHMA3和OsHMA2先后被鑒定為Cd運(yùn)輸關(guān)鍵基因。

OsHMA3(qCdT7)是利用QTL定位克隆到的首個(gè)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)基因,在Cd由根部到地上的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控中起著關(guān)鍵的作用,是低Cd水稻育種的重要候選基因[23,25～26]。OsHMA3位于水稻根部細(xì)胞液泡膜上,有功能的OsHMA3負(fù)責(zé)將Cd轉(zhuǎn)運(yùn)到根部細(xì)胞液泡中貯存,降低Cd通過(guò)木質(zhì)部裝載轉(zhuǎn)運(yùn)到地上組織的能力,導(dǎo)致地上組織包括籽粒的Cd含量比較低。粳稻品種一般具有有功能的OsHMA3,籽粒Cd積累量較低。而秈稻由于OsHMA3基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能失活,不能將吸收的Cd扣留至根部細(xì)胞的液泡中,使得Cd從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部包括籽粒中的活性增強(qiáng),籽粒Cd積累量較高,這被認(rèn)為秈稻品種籽粒Cd含量普遍高于粳稻的主要原因之一[23,25～26]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該基因自然變異較豐富,可分為8種基因型,其中Ⅰ、Ⅵ、Ⅴ型是具有功能的基因,而Ⅱ、Ⅷ型是功能失活型。Ⅰ型為有功能的基因型,為低Cd品種類(lèi)型,主要為日本晴等粳稻,但“洞庭晚秈”、PA64S等帶有粳稻血緣的秈稻品種也屬于該類(lèi)型；Ⅱ型是功能失活型,為高Cd積累粳稻品種類(lèi)型；Ⅴ型也是有功能的基因型,但卻是高Cd秈稻品種類(lèi)型,93-11、中優(yōu)早81等屬于這種類(lèi)型,它們的這種高Cd特性不能用OsHMA3活性的有無(wú)來(lái)解釋[56～57]。最近,研究人員通過(guò)對(duì)PA64S雜93-11構(gòu)建的NIL群體進(jìn)行QTL定位和圖位克隆分析,發(fā)現(xiàn)OsHMA3啟動(dòng)子的序列存在變異,尤其是-683 bp到-557 bp之間的7個(gè)核苷酸差異,是OsHMA的兩個(gè)等位基因GCC793-11和GCC7PA64S的差異表達(dá)(分別表達(dá)低和高)所必需的。將兩個(gè)啟動(dòng)子互換,則GCC793-11和GCC7PA64S的表達(dá)會(huì)發(fā)生相反的變化(分別升高和降低),根和地上組織的Cd積累也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,表明在Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型等具有功能性O(shè)sHMA3的水稻品種中,啟動(dòng)子遺傳差異對(duì)品種間Cd積累多樣性的調(diào)控起重要的作用。秈稻中主要是GCC793-11等位基因,粳稻中主要是GCC7PA64S等位基因,GCC7PA64S等可以應(yīng)用到低Cd秈稻育種[58]。同時(shí),無(wú)論秈稻還是粳稻,功能性O(shè)sHMA3過(guò)表達(dá)使得根-莖Cd轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著下降,Cd耐受能力顯著增加,地上組織的Cd含量顯著減低,過(guò)表達(dá)秈稻糙米中的Cd積累量可以降低90%以上,且OsHMA3過(guò)表達(dá)對(duì)水稻株高、產(chǎn)量及稻米品質(zhì)等農(nóng)藝性狀無(wú)影響[59～60]。OsHMA3是一個(gè)功能性的Zn轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,但其無(wú)論是失活或過(guò)表達(dá),對(duì)水稻地上部分的Zn穩(wěn)態(tài)似乎影響不大[61]。把水稻OsHMA3轉(zhuǎn)到小麥過(guò)表達(dá),能大幅降低小麥籽粒中的Cd含量,顯示了該基因在作物低Cd籽粒育種中的重要潛力[62]。

OsHMA2是一個(gè)質(zhì)膜定位的鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因,在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段在根部中柱鞘組織組成型表達(dá),介導(dǎo)Cd和Zn從根到地上部的運(yùn)輸；在生殖生長(zhǎng)階段,還在地上部分的維管束,尤其是水稻倒一節(jié)(nodeⅠ)中的大維管束和分散維管束的韌皮部細(xì)胞膜上表達(dá)。敲除突變體中穗頸節(jié)及穗中的Cd含量顯著降低,表明OsHMA2在穗頸節(jié)部位介導(dǎo)Cd從木質(zhì)部到韌皮部的轉(zhuǎn)移,以及通過(guò)節(jié)向穗的分配[63～65]。有趣的是,OsHMA2過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因水稻和hma2突變體的籽粒中Cd含量都低于野生型[63]。最近,研究人員把OsHMA2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)OsHMA3表達(dá),轉(zhuǎn)基因水稻根中Cd增加,地上部分Cd降低,其中籽粒中Cd含量減少到對(duì)照的1/10水平[66]。

1.2.3 參與Cd運(yùn)輸?shù)钠渌D(zhuǎn)運(yùn)體基因

OsLCT1(低親和性陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因)定位于質(zhì)膜上,主要在生殖生長(zhǎng)成熟期的穗頸節(jié)大維管束周?chē)头稚⒌木S管束中表達(dá),介導(dǎo)Cd通過(guò)韌皮部的外運(yùn)向籽粒分配。OsLCT1功能缺失株系改變Cd在節(jié)內(nèi)由韌皮部向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn),籽粒中Cd含量?jī)H為野生型的50%,其他金屬元素含量與野生型無(wú)顯著差異,且對(duì)水稻生長(zhǎng)無(wú)影響[67]。除了低親和性陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因,水稻ZIP基因家族的許多成員也被鑒定介導(dǎo)Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),如OsZIP1[68～69]、OsZIP3[68]、OsZIP6[70]、OsZIP7[71]。其中 Os-ZIP1編碼一種金屬解毒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,通過(guò)激活其外排轉(zhuǎn)運(yùn)活性介導(dǎo)水稻中過(guò)量的鋅、銅和Cd積累。OsZIP7編碼一種內(nèi)向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,在根中木質(zhì)部的裝載和節(jié)中的維管間轉(zhuǎn)移中起著不可或缺的作用,優(yōu)先向發(fā)育中的組織和水稻籽粒輸送鋅和Cd。亞鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因OsIRT1和OsIRT2也屬于OsZIP基因家族成員,但在系統(tǒng)樹(shù)上成單獨(dú)的一支,與其他成員的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。OsIRT1和Os-IRT2也轉(zhuǎn)運(yùn)Cd,缺鐵可增強(qiáng)OsIRT1-/OsIRT2介導(dǎo)的Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[72]。OsIRT1過(guò)表達(dá)的水稻對(duì)過(guò)量的鋅和Cd表現(xiàn)出更高的敏感性[73]。

此外,屬于水稻金屬耐性蛋白基因家族(MTP)的成員OsMTP1/OZT1,賦予植物對(duì)鋅和Cd的耐受性。在其RNAi干擾植株中,苗期對(duì)重金屬的敏感性提高；在低濃度重金屬脅迫下,成熟期不同器官重金屬積累發(fā)生改變,提示該基因在鋅和Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)以及維持其內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[74]。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體基因家族成員也參與Cd在細(xì)胞中的外向運(yùn)輸,能夠增強(qiáng)植株對(duì)Cd的耐性。OsABCC9定位于根部中柱細(xì)胞的液泡膜上,受Cd快速誘導(dǎo)表達(dá)。其基因敲除水稻對(duì)Cd敏感,根和地上部分包括籽粒中的Cd含量都比對(duì)照高[75]。OsABCG36是質(zhì)膜表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)體基因,在根和地上都有低表達(dá),在根中除了表皮細(xì)胞以外的其他細(xì)胞中都有分布,其表達(dá)受Cd快速誘導(dǎo)表達(dá)。其基因敲除水稻對(duì)Cd敏感,根中Cd含量比對(duì)照高,但地上部分Cd含量不受影響[76]。另外,鈣/陽(yáng)離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)體基因OsCCX2也被證明參與水稻Cd的運(yùn)輸和分配,功能缺失突變體各器官中Cd的分配發(fā)生變化,同時(shí)籽粒中Cd含量降低[77]。OsCCX2導(dǎo)致的Cd分配和積累發(fā)生變化的機(jī)理還不清楚,其作用機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。此外,主要易化子超家族(MFS)基因OsCd1,也參與水稻根系Cd吸收,并參與水稻籽粒Cd積累[28]。

1.3 鎘螯合相關(guān)基因

植物螯合素(PCs)是由植物螯合素合成酶(PCS)合成的一類(lèi)富含巰基、具有較強(qiáng)Cd螯合活性的小肽。PCs與游離巰基處的Cd離子形成螯合物,隨后將結(jié)合的Cd隔離在液泡內(nèi)[78]。PCS催化谷胱甘肽(GSH)非核糖體合成PCs,GSH在Cd螯合和解毒中起重要作用[79]。水稻籽粒中OsPCS1和Os-PCS2特異性表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致籽粒中Cd和As含量顯著降低,表明PCs合成會(huì)增強(qiáng)水稻籽粒中Cd和 As的積累[80～81]。PCs合成的前體,如 GSH、谷氨酸或半胱氨酸,在Cd耐受中也起著重要作用。這些前體合酶基因的表達(dá)變化也會(huì)改變植物的Cd耐受性[82～83]。

最近,一種類(lèi)防御素基因編碼的蛋白CAL1被證明能改變Cd的螯合作用和Cd向細(xì)胞外空間的分泌,從而降低細(xì)胞內(nèi)Cd的濃度,同時(shí)增強(qiáng)Cd通過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。CAL1可通過(guò)木質(zhì)部特異調(diào)控Cd從根到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),但不能通過(guò)韌皮部調(diào)控Cd從地上部到籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn),從而導(dǎo)致葉片而不是籽粒Cd的積累。以上信息為培育雙功能水稻品種提供了一個(gè)潛在的目標(biāo),即在修復(fù)水稻土的同時(shí)生產(chǎn)Cd安全谷物[27]。

1.4 水稻Cd積累的調(diào)控基因

盡管有許多關(guān)鍵的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),但關(guān)于水稻對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)活性的調(diào)控知之甚少?；虮磉_(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是控制Cd轉(zhuǎn)運(yùn)活性的有效方法之一,其中轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和microRNAs(miRNAs)等起著重要作用。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Os-TITANIA是一種水稻PHD指狀蛋白,通過(guò)調(diào)控多種金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)發(fā)揮作用。突變株LC5表現(xiàn)出低Cd積累特性[84]。OsHB4參與調(diào)節(jié)Cd的積累,OsHB4的過(guò)表達(dá)增加Cd的敏感性和Cd在葉片和籽粒中的積累。然而,敲除OsHB4可增強(qiáng)Cd耐受性。miR166以O(shè)sHB4為靶點(diǎn),降解OsHB4轉(zhuǎn)錄物,減輕Cd積累[85]。miR390也參與水稻對(duì)Cd的耐受和積累。OsSRK是miR390的靶基因,miR390在Cd處理后表達(dá)量上調(diào)。過(guò)量表達(dá)的miR390表現(xiàn)低鎘耐受性和高鎘積累。同時(shí),Os-NRAMP5和OsHMA2表達(dá)水平增加,表明miR-390是水稻鎘脅迫耐受性的負(fù)調(diào)節(jié)因子[86]。

泛素介導(dǎo)的26S蛋白酶體降解是翻譯后調(diào)控的重要機(jī)制。水稻E3連接酶基因OsHIR1在As和Cd吸收中發(fā)揮作用。E3泛素連接酶OsHIR1通過(guò)與OsTIP4；1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用將OsTIP4；1泛素化,后者被26S蛋白酶體系統(tǒng)識(shí)別并降解。OsHIR1的過(guò)量表達(dá)導(dǎo)致植物體內(nèi)Cd和As的累積顯著減少,表明OsHIR1 E3連接酶正調(diào)控Os-TIP4；1,影響 Cd 的攝取[87]。

OsLCD(low-Cd)是水稻維管束組織中優(yōu)勢(shì)表達(dá)的基因,編碼一種可溶性蛋白,參與水稻對(duì)Cd脅迫的耐受性及Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累,主要表達(dá)于根的維管束和葉片韌皮部的伴胞中,定位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。在Cd濃度較低的土壤中,lcd突變體籽粒中Cd含量比野生型降低一半,但其營(yíng)養(yǎng)器官中Cd含量差異不顯著[88]。OsLCD不具有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和解毒蛋白的特征,推測(cè)OsLCD可能通過(guò)激活其他Cd轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)Cd的積累；通過(guò)酵母雙雜交實(shí)驗(yàn),研究人員已篩選出與運(yùn)輸和調(diào)控相關(guān)的蛋白質(zhì),為進(jìn)一步闡明OsLCD介導(dǎo)的水稻Cd積累機(jī)制提供了線索[89]。

2 水稻籽粒低Cd積累的分子育種

2.1 低Cd水稻品種的篩選與鑒定

研究者對(duì)具有不同Cd累積性狀的水稻品種進(jìn)行了有效的基因分型篩選和鑒定[90～92]。許多品種被報(bào)道為低Cd或高Cd類(lèi)型(表3),其中一些表現(xiàn)出Cd超積累特性,如Cho-ko Koku、Akita110、TJTT8等,有應(yīng)用于污染土壤植物修復(fù)的潛力[24,93～96]。高Cd粳稻品種失去OsHMA3(溫帶粳稻)或Os-NRAMP2(熱帶粳稻)基因的功能[49,57],而一些低Cd秈稻品種與OsNRAMP5、OsNRAMP2或OsHMA3基因的功能密切相關(guān)[42,45,60]。其中OsNRAMP5對(duì)低Cd品種的培育是最關(guān)鍵的,通過(guò)基因編輯技術(shù)敲除OsNRAMP5,突變體Cd污染環(huán)境中的Cd含量大幅減低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家大米Cd安全水平(0.2 mg/kg)。最近,湖南雜交水稻研究中心的研究人員從國(guó)內(nèi)外大量的水稻資源中,篩選到武漢大學(xué)朱英國(guó)院士等培育的紅蓮型秈稻不育系珞紅3A和珞紅4A(https://www.ricedata.cn/variety/varis/614203.htm)的Cd積累量特別低(分別為0.01 mg/kg和0.03 mg/kg),其他品種最低為0.16 mg/kg,最高為1.92 mg/kg,平均0.75 mg/kg,說(shuō)明珞紅3A和珞紅4A是典型的低Cd積累材料。通過(guò)基因組測(cè)序,研究人員發(fā)現(xiàn)7號(hào)染色體上缺失一段包含OsNRAMP5、OsNRAMP1基因的片段(408 Mb,Org),插入一段2 980 bp(Tons)的片段,是自然突變的Cd低吸收品種[97]。另外,有些籽粒低Cd水稻品種還具有莖稈高Cd的特性,如四川農(nóng)業(yè)大學(xué)培育出的恢復(fù)系品種“雅恢2816”[97](www.ricedata.cn/variety/varis/618270.htm),以及湖南師范大學(xué)陳良碧教授培育的溫敏不育系品種KT27S(https://www.ricedata.cn/variety/varis/615324.htm),但它們的Cd調(diào)控機(jī)理尚不明了。盡管如此,這類(lèi)基因型品種有望成為既能生產(chǎn)出Cd安全稻米,又能修復(fù)土壤的“兩用”資源材料。

表3 不同Cd積累基因型的品種(株系)Table 3 Varieties/lines of different Cd accumulation genotypes

2.2 低Cd分子標(biāo)記輔助的水稻低Cd基因聚合育種

隨著水稻Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的關(guān)鍵基因被定位和克隆,OsHMA3、OsNRAMP5、OsNRAMP1、OsNRAMP2等的分子標(biāo)記也被開(kāi)發(fā)。OsNRAMP5功能失活等位基因(lcd1、lcd-kmt2、LCH3)被認(rèn)為可以顯著降低根對(duì)Cd的吸收,但如果突變位置發(fā)生在基因3′末端附近,則不會(huì)影響錳的吸收和產(chǎn)量[39,41～42,45]。此外,粳稻類(lèi)型的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)功能性的OsHMA3表達(dá),可以將Cd螯合到根液泡中[26,60]。這些發(fā)現(xiàn)顯示了將多個(gè)低Cd基因聚合到一個(gè)品種中進(jìn)行低Cd水稻育種的潛力。通過(guò)與低Cd品種的雜交和輪回親本的連續(xù)回交,許多輪回親本的籽粒Cd積累性狀得到了較大的改善。對(duì)于雜交水稻育種,首先將雄性不育系和恢復(fù)系培育為低Cd親本,然后通過(guò)雜交獲得低Cd雜交種子。隨著人們對(duì)水稻籽粒Cd積累機(jī)制的深入了解,利用低Cd基因聚合的方法進(jìn)行低Cd積累水稻培育研究已經(jīng)進(jìn)行了初步嘗試,如隆平高科種業(yè)科學(xué)研究院的楊遠(yuǎn)柱研究員將粳稻的OsHMA3-OsNRAMP5-OsNRAMP1轉(zhuǎn)育到秈稻93-11,改良93-11籽粒中的Cd積累大幅下降[98]。目前,已有珞紅3A、珞紅4A等超低Cd積累材料,利用輪回親本通過(guò)與其的雜交及連續(xù)回交,再利用Tons分子標(biāo)記篩選轉(zhuǎn)育成功的輪回親本Tonys,經(jīng)檢測(cè)是超低Cd材料,顯示了調(diào)控OsNRAMP5活性在低Cd水稻育種的光明前景,有望通過(guò)調(diào)控這一個(gè)Cd吸收基因解決稻米Cd安全問(wèn)題[99]。另外,在低Cd品種的基礎(chǔ)上,可以把營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和產(chǎn)量方面的調(diào)控基因聚合在一起,如培育高鋅、高硒的低Cd 品種[100]。

3 結(jié)論和展望

Cd暴露會(huì)對(duì)包括人類(lèi)在內(nèi)的有機(jī)體造成一系列有害影響。因此,了解水稻對(duì)Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累機(jī)制,對(duì)于加強(qiáng)有效地降低Cd的策略具有重要意義。近20年來(lái),隨著一些介導(dǎo)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的基因在水稻中的發(fā)現(xiàn),對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)和影響Cd積累的環(huán)境因子的研究取得了進(jìn)展,闡明了稻田土壤酸堿度、土壤通氣狀況、根際微生物、環(huán)境中其他離子和化合物等主要環(huán)境因子對(duì)水稻Cd積累的影響及其機(jī)理,提出了降低水稻籽粒Cd積累的對(duì)策。大量田間試驗(yàn)表明,低Cd水稻品種,結(jié)合水稻全生育期的灌溉和較高的pH調(diào)節(jié),可顯著降低籽粒Cd的積累。一些根際微生物在緩解水稻Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中也起著重要作用。此外,施用多種葉面復(fù)合肥、生物炭、酸堿改良劑等農(nóng)藝措施也能有效地減少籽粒Cd的積累。

對(duì)于籽粒低Cd品種的選育,近期目標(biāo)是培育低吸收Cd或不吸收Cd的材料,以便在各種Cd污染稻田中能生產(chǎn)出鎘達(dá)標(biāo)的稻米。利用珞紅4A/3A等超低鎘品種,通過(guò)雜交置換培育各種低Cd水稻品種,解決稻米Cd超標(biāo)的問(wèn)題,應(yīng)該在不長(zhǎng)的時(shí)間里可以達(dá)到。遠(yuǎn)期目標(biāo)是培育Cd高吸收、營(yíng)養(yǎng)體尤其是莖葉高積累Cd,但籽粒低Cd的“兩用”水稻品種,以在生產(chǎn)安全大米的同時(shí),能夠隨著稻草的移除,逐步修復(fù)土壤。目前,KT27S、雅恢2816等品種已被鑒定具有莖稈高Cd、籽粒低Cd的特性。類(lèi)防衛(wèi)素蛋白OsCAL1能夠螯合Cd,并將其外排到胞外,可促進(jìn)根部Cd通過(guò)導(dǎo)管運(yùn)送到地上,但阻礙了通過(guò)韌皮部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)移,是稻草高Cd、籽粒低Cd的基因聚合育種中是重要的遺傳資源[27]。在未來(lái),須進(jìn)一步從低Cd材料中篩選和鑒定莖稈超高Cd積累水稻資源,并進(jìn)行遺傳定位和克隆,鑒定既能高效吸收Cd,又能高效控制Cd轉(zhuǎn)移到籽粒的關(guān)鍵基因,為“兩用”低Cd水稻育種提供遺傳資源。

CRISPR/Cas9的基因編輯技術(shù)具有簡(jiǎn)單、高效、多功能等優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)染色體上特定基因進(jìn)行基因修飾,比利用雜交轉(zhuǎn)育的方法轉(zhuǎn)移突變等位基因要簡(jiǎn)單快速得多。利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進(jìn)行低Cd水稻遺傳改良已取得較大進(jìn)展[41～42],但受轉(zhuǎn)基因政策的限制尚不能應(yīng)用。由于可以從基因編輯植株后代中篩選出含有非轉(zhuǎn)基因元件的株系,很多國(guó)家或地區(qū)已經(jīng)把利用CRISPR/Cas9編輯的材料不納入轉(zhuǎn)基因材料進(jìn)行管理。隨著技術(shù)和管理的進(jìn)一步成熟與完善,基因編輯技術(shù)創(chuàng)制的低Cd水稻品種一定會(huì)走向市場(chǎng)應(yīng)用。