水稻低镉积累的遗传基础解析：全基因组关联研究与关键基因挖掘

针对水稻镉污染引发的食品安全问题，研究人员通过全基因组关联分析(GWAS)对158份水稻品种进行多环境镉含量检测，鉴定出12个稳定关联位点及OsZIP8、OsHMA3等8个关键转运蛋白基因，首次揭示OsNramp5突变体Luohong 3A/4A与lcdl系列品种的显性单倍型差异，为分子标记辅助育种提供靶点。该研究发表于《Molecular Breeding》，为降低稻米镉积累提供了遗传资源与技术支撑。

　　

研究背景

2013年湖南"镉大米"事件暴露出我国16.1%耕地存在重金属污染，其中镉超标率达7%。水稻对镉的吸收效率是小麦的2.2-6.5倍，通过食物链威胁人体健康。虽然湖南省农科院2014年提出VIP+n综合防控技术，但亟需培育低镉积累品种实现根本解决。现有种质资源如Luohong 3A/4A（含OsNramp5基因408 kb缺失）和lcdl突变体虽能降低镉吸收，但不同遗传背景品种的分子机制尚不明确。

湖南省农业科学院水稻研究所联合华智生物技术有限公司的研究团队，在《Molecular Breeding》发表研究，通过多环境表型鉴定和全基因组测序，系统解析了低镉水稻的遗传基础。研究团队构建包含158份品种（2011-2023年测试）的群体，在1.32-2.41 mg/kg镉污染土壤中开展池栽实验，同时在长江流域低（0.43 mg/kg）、中（0.85 mg/kg）、高（1.48 mg/kg）镉污染农田进行大田验证，最终鉴定出关键基因及其单倍型特征。

关键技术方法

1. 多环境表型采集：按湖南地标DB43/T 2586-2023设计池栽实验（3个镉梯度），结合GB 5009.268-2016标准检测糙米镉含量；

2. 全基因组重测序：基于DNBSEQ-T7平台（20×深度）获得3,532,155个高质量SNP；

3. 混合线性模型(MLM)GWAS分析：采用GEMMA软件（P<1×10^-7阈值）；

4. 单倍型构建：通过PopLDdecay分析OsZIP8等基因的LD区块。

研究结果

1. 品种镉含量分布特征

在2.41 mg/kg高镉池栽条件下，品种间镉含量差异达700倍（0-7.042 mg/kg），但低镉品种（≤0.2 mg/kg）占比稳定在67.7%（107/158）。田间实验中，低镉环境（0.43 mg/kg）下112个品种达标，证实基因型是影响镉积累的关键因素。

2. 群体遗传结构

ADMIXTURE分析将品种分为四类：Luohong系列（88.6%低镉）、lcdl系列（100%低镉）、中间型（21.4%低镉）和早籼系列（89.5%低镉）。系统发育树显示lcdl系列与Luohong系列遗传距离最远，暗示其独立进化路径。

3. 关键QTL与基因

GWAS鉴定出16个显著位点，其中12个在多环境中重复出现。染色体7上qCd7.1-qCd7.6区间包含OsZIP8（金属转运蛋白）、OsHMA3（液泡镉隔离蛋白）和OsNramp5（根镉吸收蛋白）。新发现的Os12g0512700（ABC转运蛋白）可能参与镉的木质部装载。

4. 单倍型效应

OsHMA3-Hap2(GC)使镉含量降低83.9%（P<0.01），而OsNramp5-Hap1(DEL)完全阻断镉吸收。值得注意的是，Luohong系列携带OsNramp5-Hap1(DEL)单倍型，lcdl系列则特异性拥有OsHMA3-Hap1(AC)，为分子标记开发提供靶点。

结论与意义

该研究首次系统比较了不同低镉种质资源的遗传特征，发现OsHMA3和OsNramp5的单倍型聚合可实现镉吸收与必需元素（如锰）平衡。提出的"Luohong型"（依赖OsNramp5缺失）和"lcdl型"（依赖OsHMA3高表达）育种策略，已应用于中早7号等品种选育。通过开发共显性标记（如Os07g0257200-InDel），可加速低镉品种审定流程，对保障粮食安全具有重要实践价值。