水稻Microrchidia蛋白OsMORC6通过介导DNA甲基化正向调控镉耐受性与富集机制研究

编辑推荐：针对稻田镉(Cd)污染威胁粮食安全的问题，浙江大学团队通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建OsMORC6a/b/c三敲除突变体，结合全基因组甲基化测序和转录组分析，发现这组同源基因通过调控细胞壁形成和氧化应激相关基因的DNA甲基化水平（鉴定247个高甲基化DMRs和325个低甲基化DMRs），显著影响水稻对Cd的耐受性和吸收能力，为培育低镉水稻种质提供了新靶点。

　　随着工业化进程加速，农田重金属污染已成为全球性环境问题，其中镉(Cd)因其高毒性和易被水稻富集的特性，通过食物链严重威胁人类健康。尽管已发现OsNRAMP5、OsHMA3等转运蛋白参与Cd吸收，但表观遗传调控在植物应对重金属胁迫中的作用机制仍不清楚。浙江大学农业与生物技术学院的研究团队在《Rice》发表的研究，首次揭示了Microrchidia(MORC)家族蛋白OsMORC6a/b/c通过DNA甲基化调控网络介导水稻Cd耐受与积累的新机制。

研究采用系统发育分析、CRISPR/Cas9基因编辑、ICP-MS元素检测、全基因组甲基化测序(Whole-Genome Bisulfite Sequencing)和RNA-seq转录组分析等技术。通过对OsMORC6过表达株系和三敲除突变体(morc6abc)的表型分析，结合甲基化与转录组关联分析，系统解析了该基因家族的功能机制。

研究结果显示：系统发育分析表明OsMORC6a/b/c与拟南芥AtMORC6高度同源，均含有GHKL ATPase和S5结构域。表达谱分析发现这些基因受Cd诱导显著上调，其中OsMORC6b响应最强烈。表型实验证实过表达株系在10μM CdCl₂处理下根长和株高显著优于野生型，而三敲除突变体表现出Cd敏感表型。值得注意的是，过表达株系根和地上部Cd含量分别增加31-45%和28-52%，但转运率无变化，说明OsMORC6主要调控Cd吸收而非转运。

转录组分析发现morc6abc突变体有1,127个差异表达基因(DEGs)，显著富集于"植物细胞壁形成"和"氧化还原酶活性"通路。甲基化测序显示突变体基因体区CG/CHG甲基化水平降低，鉴定出247个高甲基化差异甲基化区域(hyper-DMRs)和325个低甲基化区域(hypo-DMRs)。关联分析发现这些DMRs相关基因如过氧化物酶基因OsPRX62和果胶甲酯酶抑制剂OsPMEI18的表达变化与甲基化修饰直接相关。

该研究创新性地揭示了植物MORC蛋白在非生物胁迫中的新功能，证明OsMORC6通过动态调控细胞壁重塑和氧化应激相关基因的甲基化状态，维持Cd胁迫下的细胞稳态。这不仅拓展了对表观遗传调控重金属响应的认知，更重要的是为分子设计育种提供了可操作的靶标——通过调控OsMORC6表达或下游甲基化靶点，有望培育出既保持农艺性状又能降低籽粒Cd积累的水稻新品种，对于保障粮食安全和公众健康具有重要实践意义。