WRKY51-miR528-UCL23级联调控通路介导水稻镉吸收与耐受的分子机制及育种应用

本研究针对水稻镉(Cd)污染导致的食品安全问题，揭示了WRKY51通过双重调控机制（直接激活UCL23转录和抑制miR528表达）调控ROS信号通路，从而影响水稻对Cd的吸收、耐受及籽粒积累。研究人员发现UCL23单倍型自然变异与Cd积累差异显著，为培育低Cd水稻品种提供了新靶点。该成果发表于《Cell Reports》，为重金属污染治理和作物安全育种提供了重要理论依据。

　　

随着工业发展和农业活动加剧，土壤镉(Cd)污染已成为威胁全球粮食安全的重大问题。水稻作为主要粮食作物，其籽粒对Cd的富集能力尤为突出，通过食物链进入人体后可能引发多种慢性疾病。尽管植物已进化出避免吸收和耐受Cd的机制，但现有降低水稻Cd积累的策略往往伴随必需金属吸收障碍或产量损失，亟需发现特异性调控Cd积累的关键基因和分子网络。

浙江大学农业与生物技术学院浙江省作物种质资源重点实验室的研究团队通过多组学分析，发现了一个由WRKY51-miR528-UCL23组成的级联调控通路。该通路通过调控活性氧(ROS)平衡，同时影响水稻对Cd的耐受性和吸收效率，并鉴定出与籽粒Cd积累差异相关的UCL23单倍型。相关成果以封面文章形式发表于《Cell Reports》，为低Cd水稻育种提供了精准靶点和创新策略。

研究团队运用CRISPR-Cas9基因编辑构建突变体，通过酵母单杂交(Y1H)和染色质免疫沉淀(ChIP-qPCR)验证转录调控关系，结合双荧光素酶报告系统分析启动子活性。利用131份籼稻种质资源进行单倍型关联分析，并通过染色体片段置换系(CSSL)验证单倍型功能差异。

UCL23通过增强ROS负调控Cd胁迫耐受性

实验表明，UCL23过表达株系在Cd处理下表现出更严重的生长抑制和更强的ROS（H₂O₂和O₂^-）积累，而突变体则相反，证实UCL23通过增强ROS信号降低Cd耐受性。

miR528通过靶向UCL23参与Cd耐受调控

miR528过表达株系表现出与UCL23突变体相似的Cd耐受表型，且其靶向切割UCL23 mRNA的机制通过降解组测序得以验证，形成与UCL23的"分子刹车"关系。

WRKY51通过双重机制调控UCL23表达

WRKY51既能直接结合UCL23启动子激活转录，又能抑制miR528的表达。遗传互补实验显示，在wrky51突变体中过表达UCL23可部分恢复ROS水平和Cd耐受表型。

WRKY51-miR528-UCL23模块调控Cd吸收与分配

尽管UCL23增强ROS会降低Cd耐受性，但意外发现其促进根系Cd吸收。田间试验证实，UCL23过表达使籽粒Cd含量降低29.09%，而WRKY51突变体籽粒Cd含量显著下降且不影响其他金属稳态。

UCL23单倍型分化导致Cd积累变异

在籼稻和粳稻亚种间发现UCL23存在6核苷酸插入差异（Hap1/Hap2），导致蛋白稳定性变化。携带粳稻型Hap2的籼稻置换系籽粒Cd含量显著降低，且不影响农艺性状，为分子设计育种提供了可行方案。

这项研究首次阐明了WRKY51-miR528-UCL23模块通过ROS平衡协调Cd耐受与吸收的分子机制，突破了传统育种中Cd积累与生长发育的权衡关系。发现的UCL23单倍型标记和WRKY51编辑靶点可直接应用于低Cd水稻品种选育，对保障粮食安全和公众健康具有重要意义。研究还提出了蛋白稳定性调控重金属积累的新视角，为其他作物的重金属减排研究提供了范式。