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JIPB | 湖南农业大学/岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队综述水稻镉与微量元素转运及互作的分子机制

镉 (Cd) 是一种高毒性的重金属元素, 易在水稻中积累并通过食物链进入人体, 威胁人类健康。近年来, 水稻中与Cd转运相关的基因陆续被克隆及功能解析, 这些转运蛋白大多参与必需微量元素 (如Fe、Mn、Zn等) 的吸收与稳态调控。因此, Cd常与Fe、Mn、Zn等离子在吸收与转运过程中存在竞争或协同关系, 离子间的交互作用不仅决定Cd在植物组织的积累水平, 也影响微量元素的营养平衡与水稻的生长发育。

近日, JIPB在线发表湖南农业大学/岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队题为“Molecular insights into cadmium transport and micronutrient crosstalk in rice: towards minimizing grain Cd”的综述文章 (https://doi.org/10.1111/jipb.70094) 。该文章系统总结了近年来水稻中Cd吸收、转运与积累分子机制的研究进展, 重点阐述了Cd与Fe、Mn、Zn等必需微量元素在吸收与转运过程中的相互作用机制, 并提出了低镉水稻品种培育的分子基础及改良策略。

Cd首先通过“劫持”微量元素转运蛋白进入植物根细胞内, 如主要介导Mn吸收的OsNRAMP5及ZIP家族成员。进入植物根系, Cd一部分被液泡隔离以降低毒性, 其中OsHMA3、OsABCC9和OsMTP11等蛋白发挥“安全仓库搬运工”作用; 另一方面, Cd通过木质部向地上部运输, OsHMA2和OsZIP7等蛋白参与其木质部装载。随后, Cd在基部茎和茎节处通过微量元素转运相关蛋白进行分配 (图1和图2)。

图1 水稻根部Cd与必需微量元素吸收和径向转运

图2 水稻茎节Cd与微量元素的分配

育种改良方面, 该综述系统总结了近年来水稻低镉育种的分子策略, 强调了OsNRAMP5在水稻低镉育种中的核心价值。 OsNRAMP5作为Mn吸收的主要转运蛋白, 其完全敲除虽可显著降低籽粒Cd含量, 但可能引发水稻缺锰及抗逆性降低等潜在问题。开发弱等位基因、调控OsNRAMP5 启动子以降低转录效率以及利用OsNRAMP5自然等位变异, 这些改良策略有效减少籽粒 Cd 积累, 亦能维持植株正常生长所需Mn, 显示出良好的育种应用前景。进一步讨论了通过其它转运蛋白重塑Cd在根-茎节-籽粒途径中的流动方向, 限制其向籽粒的转运, 从而有效降低籽粒中Cd积累, 并在一定程度上维持微量元素平衡, 为低镉水稻育种提供重要的分子靶点。最后, 文章对未来研究方向进行了展望, 强调应重点挖掘新的Cd转运蛋白; 基于结构生物学与底物识别机制, 优化已知转运蛋白的底物亲和性; 同时利用全基因组多样性挖掘天然变异, 精细调控基因时空表达; 并探索多基因协同调控策略, 如整合低Cd吸收和强化液泡隔离, 以优化Cd动态分布、维持必需微量元素稳态与产量, 为培育高效、安全的低镉水稻提供分子基础。

湖南农业大学/岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队硕士研究生岳霁桐和张娜为共同第一作者; 吴德志教授和高飞副教授为共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金 (32200227) 与湖南省科技创新计划 (2024RC1055) 的资助。

文章引用：

Yue J., Zhang, Na., Wu D., and Gao F. (2025).Molecular insights into cadmium transport and micronutrient crosstalk in rice:Toward minimizing grain Cd. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.70094

JIPB | 湖南农业大学/岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队综述水稻镉与微量元素转运及互作的分子机制

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