利用单片段代换系创制低镉积累水稻品种的遗传设计与应用研究

为解决水稻籽粒镉(Cd)污染威胁粮食安全的问题，研究人员通过单片段代换系(SSSLs)定位了8个调控Cd积累的QTL（包括首次报道的qCd-5-1和qCd-6-1），开发了6个聚合低Cd QTL的水稻新品系，籽粒Cd含量较受体亲本华粳籼74(HJX74)显著降低且农艺性状稳定。该研究为低Cd水稻育种提供了精准遗传策略和实用材料。

　　

镉污染已成为威胁全球粮食安全的隐形杀手，尤其在水稻这种对重金属富集能力强的作物中更为突出。中国2014年土壤调查显示7%采样点镉超标，而稻米作为亚洲主粮，其镉摄入量占膳食总摄入量的40%-60%。尽管已发现OsHMA3、OsNRAMP5等基因参与镉转运，但遗传机制复杂且现有低镉材料难以兼顾产量。如何通过精准育种培育既低镉又高产的水稻品种，成为农业科学家亟待解决的难题。

华南农业大学的研究团队通过30年构建的2360份单片段代换系(SSSL)库，在HJX74背景下筛选出56份材料，结合多环境表型分析（2016-2018年广州、韶关两地四季种植）和分子标记技术，首次系统解析了水稻籽粒镉积累的遗传网络。研究发现代换片段覆盖基因组50%区域，最终定位到8个稳定QTL，其中qCd-7-1呈现双向调控效应——来自BG367的等位基因(qCd-7-1H)使籽粒镉含量升高0.397 mg/kg，而Ganxiangnuo来源的qCd-7-1L则降低0.090 mg/kg。单倍型分析揭示OsNRAMP5^BG367
存在4890 bp关键SNP(A-T)变异，其表达量显著高于受体亲本；而OsHMA3^BG367
外显子7的42 bp缺失导致功能丧失，这解释了qCd-7-1H的高镉表型。通过聚合qCd-3-1与qCd-7-1L等位基因，创制的双QTL新品系在重度污染土壤（韶关1.26 mg/kg Cd）中镉含量降低50%，且千粒重等产量性状与HJX74无显著差异。该成果发表于《New Crops》，为低镉水稻设计育种提供了理论框架和材料平台。

关键技术包括：1) 基于SSSL的置换作图（使用RM系列SSR标记和自主设计PSM标记）；2) 原子吸收光谱法测定糙米Cd含量；3) 候选基因Sanger测序（覆盖OsYSL2、OsCAL1等8个基因启动子和编码区）；4) 实时定量PCR分析基因表达差异；5) 分子标记辅助聚合育种（开发6个组合）。

【Cd含量在SSSLs中的表现】
在HJX74背景（0.232±0.009 mg/kg Cd）下，W04-1等4个BG367来源SSSLs表现出高镉表型，而W11-6等12份材料镉含量显著降低。环境效应分析显示，广州低镉土壤与韶关高镉土壤中表型相关性达0.82，证实QTL稳定性。

【镉积累QTL的置换作图】
通过17个SSSLs将8个QTL定位在1.55-12.78 Mb区间：qCd-6-1（6号染色体1.68 Mb）效应值最大（-0.105），而qCd-2-1（12.78 Mb）效应最小（-0.061）。其中qCd-7-1区域存在OsNRAMP1、OsNRAMP5和OsHMA3基因簇，提示协同调控机制。

【镉吸收转运相关基因的等位变异】
单倍型分析发现OsNRAMP5^Katy
启动子-1676/-1677 bp双碱基缺失，OsYSL2^Basmati370
存在大片断缺失。表达分析显示OsNRAMP5^BG367
转录水平是HJX74的2.3倍，而OsHMA3^Ganxiangnuo
虽无启动子变异，表达量却降低40%，暗示表观调控。

【低镉聚合系的创制】
选育的qCd-3-1/qCd-7-1L双QTL株系在韶关2019年早季Cd含量仅0.15 mg/kg，低于中国国标(0.2 mg/kg)。相关性分析表明Cd含量与分蘖数(r=0.12)、千粒重(r=-0.13)无显著关联，打破"低镉必低产"的传统认知。

该研究首次在SSSL体系中实现镉积累QTL的全基因组扫描，发现OsNRAMP5第4890位点SNP可作为功能标记用于分子设计育种。提出的"多基因微效叠加"策略（如qCd-3-1与qCd-7-1L组合）为平衡重金属积累与农艺性状提供了新思路。值得注意的是，qCd-7-1区域的等位基因互作现象提示未来需开展单细胞测序或染色质构象捕获(Hi-C)研究三维基因组调控。这些发现不仅推动作物重金属胁迫遗传学发展，也为中国南方镉污染区水稻安全生产提供了解决方案。