OsSultr1;1和OsZIP4介导水稻中镉的吸收与转运：来自高、低镉积累品系的证据

《Journal of Hazardous Materials》：OsSultr1;1 and OsZIP4 mediate cadmium uptake and transport in rice: evidence from high and low Cd-accumulators

　　

**摘要**

镉（Cd）在稻米中的积累对食品安全和人类健康构成严重威胁。然而，不同水稻品种间镉的摄取、富集和转运的分子机制尚不明确。本研究通过筛选110个水稻品种，鉴定出R66和R41分别为高镉积累和低镉积累品种。通过表型和生理比较分析及根系转录组学分析，鉴定了负责镉摄取和转运的关键基因。我们鉴定出两个候选基因OsSultr1;1和OsZIP4，它们可能是水稻镉积累的调控因子。在幼苗期5 μM镉胁迫下的短期水培验证试验中，敲除OsSultr1;1使根部镉浓度降低了约40%，表明其参与调控镉的摄取。敲除OsZIP4使地上部镉浓度降低了45%，并显著降低了转运因子，表明OsZIP4参与镉的长距离运输。总体而言，本研究进一步阐明了候选基因介导的、影响水稻早期发育阶段不同品种间镉摄取和转运的途径，为培育低镉积累水稻以增强食品安全提供了重要的理论基础。

**引言**

工业化的快速推进和农业的集约化导致了土地重金属污染，对生态完整性和食品安全构成了严峻的全球性挑战。在这些污染物中，镉是导致全球土壤重金属超标的主要元素[1][2]。镉污染因其广泛分布、高毒性和不可降解性，被世界卫生组织归类为一类致癌物。长期摄入镉可导致肾脏损伤、骨质疏松甚至骨癌等慢性疾病，其毒性潜伏期可达10-35年[3]，使其成为威胁农业生态系统和人类健康的重要环境因素。

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的谷物之一，为世界上超过半数人口提供主食[4][5]。由于其强大的镉吸收和转运能力，镉容易在水稻籽粒中积累[6]，使水稻成为人类膳食镉暴露的主要来源[7][8]。长江流域是中国主要的水稻产区，约占全国水稻产量的70%[9]。然而，由于该地区采矿业和冶炼业发达，加之土壤普遍偏酸性，该地区明显位于金属富集走廊内[2]，加剧了镉污染问题。显然，受镉污染最严重的地区与中国主要水稻产区高度重叠，对粮食安全构成了严重威胁。

水稻对镉胁迫的耐受性决定了其镉积累水平和对毒性的生理响应[10]。过量的镉可直接或间接破坏植物生理过程，导致生长受阻、叶片黄化和生物量减少[11]。在长期进化过程中，植物已发展出一系列针对镉胁迫的防御机制，包括镉外排、限制金属在敏感组织中的分布、细胞壁结合以及镉螯合[12][13][14]。在水稻中，镉的吸收和积累一般可分为三个关键阶段[15]。首先，根系从土壤中吸收游离Cd2?，这是水稻镉摄取和积累的初始步骤和关键环节[16][17]。其次，吸收的镉通过木质部向上运输，并通过韧皮部重新分配到地上组织；最终，镉在籽粒中积累。由于镉并非水稻的必需营养元素，其跨膜进入根细胞主要依赖于与必需金属离子共享的转运系统[18]。这些系统主要涉及多种转运蛋白家族，包括锌/铁调节转运蛋白（ZIP）家族、天然抵抗性相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）家族、重金属ATP酶（HMA）家族以及ATP结合盒（ABC）转运蛋白家族[18][19]。这些转运蛋白在底物亲和力和选择性方面存在显著差异，使其能够在不同的环境镉水平下介导镉的跨膜运输，并协同调控水稻内镉的吸收、运输和再分配。

在已鉴定的转运蛋白中，OsNRAMP5被认为是介导根系镉摄取的主要通道蛋白，其功能丧失可显著降低根部和籽粒中的镉积累[18][20]。ZIP家族的成员如OsIRT1、OsIRT2、OsZIP5、OsZIP9和OsZIP6[8][21][22]，NRAMP家族成员OsNRAMP1[23]，以及主要促进超家族成员OsCd1[24]，均参与水稻根系镉的摄取。这些转运蛋白共同构成了水稻根系镉摄取的多通道系统。近年来，关于水稻镉调控机制的研究已从单一的根系摄取过程扩展到植物体内镉的整体运输网络。研究表明，在第一个阶段，OsNRAMP5是介导水稻根系镉摄取的核心转运蛋白，贡献了总镉吸收量的约70%-90%[18]。除了OsNRAMP5之外，根系的摄取过程还受到OsCd1和OsNRAMP1等其他转运蛋白的协同调控[23][24]。第二阶段涉及镉向木质部的装载及其向地上部分的转运，由OsHMA2介导[25]。同时，一些运输和解毒相关蛋白在调控镉耐受性和积累方面也发挥着关键作用。例如，OsHMA3通过将镉隔离在根细胞的液泡中，限制镉向地上部分的运输[26][27]；防御素样蛋白CAL1参与镉的螯合和外排[28]；ABC家族的OsABCG36则在镉外排和耐受中发挥作用[29]。第三阶段涉及节点处镉的分布和再转运，被认为是调控籽粒镉积累的关键过程。OsLCT1、OsCCX2和OsZIP2等转运蛋白在调控镉向籽粒的运输中起着重要作用[30][31]。此外，研究表明敲除铵转运蛋白可显著降低水稻的镉摄取，表明水稻的营养状态在调控镉吸收中也起着重要作用[32]。综上所述，水稻镉积累是一个高度复杂的生物过程，涉及多类转运蛋白介导的摄取和体内分布、细胞解毒和隔离机制，以及多层次调控网络的协同作用[33][34]。不同水稻基因型在这些关键阶段的调控差异可导致镉摄取效率、体内运输模式和籽粒镉积累能力的显著变化[35][36]。

然而，不同镉积累能力的水稻基因型间镉差异转运的具体调控机制仍有待深入探索。本研究比较了高、低镉积累水稻品种在镉摄取、转运和耐受相关生理响应方面的差异。通过整合生理分析、转录组测序和敲除突变体的功能验证，我们鉴定出OsSultr1;1和OsZIP4为与水稻镉摄取和转运相关的基因。这些发现为理解镉积累的分子基础提供了新的见解，并为未来低镉水稻品种的培育提供了候选遗传资源。

**材料与方法**

**植物材料和生长条件**

共110个水稻品种，由中国水稻研究所提供，在西南大学宜宾研究所（104°91′17″ E, 28°58′13″ N）进行水培。幼苗先在Kimura B营养液（表S1）中预培养8天，然后转移至补充了6 μM Cd2?（由CdCl?·2.5H?O配制）的完全Kimura B营养液中。该浓度代表水培中的中等镉胁迫水平，能够诱导显著的生理响应。

**水稻不同镉积累品种对土壤镉胁迫的表型和生理比较**

生长表现。随着镉浓度的增加，高（R66）和低（R41）镉积累品种的根部和地上部干重（DW）均有所下降，且在相同镉浓度下两个品种间无显著差异（图1a, b）。两个品种在镉胁迫下的株高均显著降低（P < 0.05），品种间无差异（图1c）。根总长度先增加后减少（图1d），根体积先上升后下……

**高（R66）和低（R41）镉积累品种对镉胁迫的生理差异**

镉显著抑制了R66和R41中根部和地上部的生物量，且生物量随镉浓度的增加而逐渐下降（图1）。作为镉吸收和转运的主要调控位点，根系显著影响植物体内后续的镉分布[17]。鉴于根尖区域是阳离子吸收最活跃的区域，根尖数量是根系Cd2?摄取的关键指标。先前的研究表明……

**结论**

本研究表明，水稻吸收镉的能力并非由单一转运蛋白的差异所决定，而是由多层次调控网络协同作用的结果。在应对镉胁迫时，水稻通过调控抗氧化酶系统来缓解活性氧（ROS）的积累，从而减少镉毒性造成的细胞损伤。在转录组水平上，水稻协调调控多个参与镉摄取、转运和……的基因的表达。

**环境意义**

稻田土壤中的镉污染对食品安全构成严重风险。然而，不同水稻品种间镉的摄取和转运存在显著差异。通过对比评估不同品种，本研究突出了OsSultr1;1和OsZIP4作为调控水稻镉摄取和根-冠转运的候选基因的应用前景。敲除这些基因可有效限制水稻在早期发育阶段营养组织中的镉积累。这些发现……

**作者贡献声明**

杜红霞：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理。马明：撰写——审稿与编辑、验证、资源获取、经费获取、概念构思。吴昌富：方法学、调查研究。李浩然：方法学、调查研究。宋晓燕：方法学、调查研究。王树丰：方法学。曲欣：撰写——原稿、可视化、方法学、调查研究、形式分析、数据整理。何晨：调查研究。熊秉才：方法学。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到国家自然科学基金（42177198）和重庆市技术创新与应用示范研究项目（CSTB2024TIAD-GPX0005）的资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在利益冲突。

**重要性声明**

本研究揭示了水稻镉积累中两个转运蛋白之间的功能分工：OsSultr1;1在硫限制条件下调控根系的镉摄取，而OsZIP4则控制镉从根到冠的转运。敲除这些基因可显著降低……

**作者信息**

曲欣 | 何晨 | 熊秉才 | 吴昌富 | 李浩然 | 宋晓燕 | 王树丰 | 杜红霞 | 马明

西南大学资源与环境学院分子生态生理中心（CMEP），重庆，400715，中国