近日，湖南省农业科学院杂交水稻研究中心赵炳然研究员团队在国际知名期刊Science of the Total Environment （环境科学一区，TOP期刊）发表了题为“Knockout of OsNRAMP5 enhances rice tolerance to cadmium toxicity in response to varying external cadmium concentrations via distinct mechanisms” 的研究论文，阐明了敲除OsNRAMP5对不同浓度镉胁迫的响应机制。
稻米镉超标对我国粮食质量安全和水稻产业发展构成严重威胁。OsNRAMP5是水稻吸收镉、锰的主效基因，并参与锰从根部向地上部的运输。基因编辑、自然突变和理化诱变获得的OsNRAMP5功能缺失突变体对镉的吸收均大幅度降低，可使稻米镉含量下降90%以上，因此敲除OsNRAMP5是降低稻米镉超标风险的有效途径。但目前OsNRAMP5敲除突变体的镉耐受性及镉、锰积累特性对不同浓度镉胁迫的响应及其机制尚不清晰。
该研究通过镉浓度梯度水培、镉吸收动力学分析和田间小区试验，发现敲除OsNRAMP5可降低水稻镉吸收，但同时会增加镉从根部向地上部的运输；随着生长介质中镉浓度的升高，敲除OsNRAMP5降低镉吸收的效应减弱，而其促进根部镉向地上部运输的效应不变。在一定程度镉胁迫条件下，敲除OsNRAMP5降低镉吸收的效应大于其促进根系镉向地上部运输的效应，从而减少了地上部的镉积累，缓解或解除了镉对生长发育的抑制作用，增强了敲除株系的镉耐受性。但当环境镉浓度继续增高，敲除OsNRAMP5促进根系镉向地上部运输的效应可抵消甚至超过其降低镉吸收的效应，与野生型植株相比，敲除株系地上部的镉含量不变甚至更高，但镉耐受性增强；通过离子组检测、矿质元素缺乏响应基因和金属转运体编码基因的表达分析，发现在高镉胁迫下，野生型植株出现多种矿质元素的缺乏，敲除OsNRAMP5可部分或完全回补矿质元素的缺乏，从而间接提高镉耐受性。此外，该研究还发现水稻拮抗吸收镉、锰的效应主要由OsNRAMP5引起；不同浓度的镉胁迫下，敲除OsNRAMP5均可促使地上部的锰在营养生长期优先分配到幼叶，在生殖生长期优先分配到籽粒。
综上所述，随着环境镉浓度的升高，OsNRAMP5转运蛋白对水稻镉吸收的贡献呈降低趋势；从低镉到高镉环境，敲除OsNRAMP5对地上部镉积累的效应受环境镉浓度影响，以不同的生理机制增强水稻的镉耐受性，因此不能通过OsNRAMP5的镉耐受表型判断其茎叶和籽粒的镉积累变化；而OsNRAMP5敲除导致地上部的锰优先分配到幼叶或籽粒，可增强OsNRAMP5对环境的适应性。该研究为OsNRAMP5在镉低积累水稻育种中的应用提供了理论参考。
院杂交水稻研究中心唐丽副研究员和湖南大学已毕业硕士生董家瑜为论文的共同第一作者，赵炳然研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家水稻产业技术体系、湖南省重点研发计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155006
