控制大麥鎘積累因子，培育低鎘含量大麥

2020-08-22 BioArt植物

nature Food | 岡山大學馬建鋒團隊發現抑制大麥鎘積累的關鍵因子


責編 | 逸雲

鎘（Cd）是毒性很強的重金屬，它通過食物鏈積累於人體後可危害身體健康。早年發生於日本的「痛痛病」就是由於食用含鎘大米引起的。因此，培育鎘含量低的農作物一直是鎘研究的重要目標之一。近十年來植物鎘積累研究取得了很多矚目的成果，特別是在水稻中發掘了多個影響鎘積累的基因，比如日本岡山大學馬建鋒教授課題組發現的OsNramp5，OsHMA3和OsHMA2等【1-3】。


大麥作為全球第四重要的穀類作物，主要被用於釀造，食用及動物飼料等。因此大麥也是人們直接或間接攝取鎘的來源。


近日，日本岡山大學馬建鋒教授課題組在Nature子刊Nature Food發表題為Breeding for low cadmium barley by introgression of a Sukkula-like transposable element 的研究論文，發現了抑制大麥鎘積累的因子並利用該因子培育了低鎘大麥品種。Nature Food 同期刊發了俄勒岡州立大學Patrick Hayes 等人題為Towards low cadmium accumulation in barley的評論文章【4】，介紹了馬建鋒教授的相關工作及其重要性，並對未來篩選低鎘農作物提出了建議。



馬建鋒課題組利用世界大麥核心品種進行鎘積累的篩選，發現一個籽粒鎘含量極低的品種BCS318。為了克隆其控制低鎘的基因，他們把BCS318和鎘含量較高的優質釀造品種Haruna Nijo雜交構建群體並進行QTL分析，找到了兩個與鎘積累有關的主效QTL，他們進一步對第五條染色體上的QTL進行圖位克隆，最終發現HvHMA3是決定品種間鎘積累差異的基因（圖1）。


圖1. 大麥鎘積累相關基因HvHMA3的精細定位


HvHMA3主要在根部表達，兩個品種的HvHMA3之間雖有19個胺基酸變異，但它們均定位於液泡膜，且具有相同的鎘轉運活性。然而，BCS318根系的HvHMA3基因表達量是Haruna Nijo的兩倍。進一步實驗表明該表達差異是由於BCS318品種HvHMA3上遊的一個3.3 kb的轉座子類似元件插入引起的。該元件通過增加轉錄起始位點從而提高HvHMA3表達。其他少數大麥品種中也檢測到該元件的存在，它們的根系HvHMA3表達量均顯著升高，且籽粒鎘含量顯著降低。因此，該轉座子類似元件的插入增強了HvHMA3在根中表達，將更多的鎘運輸進入根部細胞液泡中隔離，最終減少鎘被運輸到地上部和籽粒。


為了培育優質的低鎘大麥，他們將BCS318與Haruna Nijo多次回交得到BC3F2。當BC3F2被種植在鎘汙染土壤和非汙染土壤時，其籽粒鎘含量僅分別為Haruna Nijo的15%和21%，而產量等主要農藝性狀不受影響。因此，該研究發現的轉座子類似元件為今後培育優質的低鎘大麥品種提供了很好的遺傳材料。


馬建鋒教授實驗室的雷貴傑博士為該論文的第一作者，馬建鋒教授為通訊作者。


參考文獻

1. Sasaki, A., Yamaji, N., Yokosho, K. & Ma, J.F. Nramp5 is a major transporter responsible for manganese and cadmium uptake in rice. Plant Cell 24, 2155-2167 (2012).

2. Ueno, D., et al. Gene limiting cadmium accumulation in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16500–16505 (2010).

3. Yamaji, N., Xia, J.X., Mitani-Ueno, N., Yokosho, K. & Ma, J.F. Preferential delivery of zinc to developing tissues in rice is mediated by P-Type heavy Metal ATPase OsHMA2. Plant Physiol. 162, 927-939 (2013).

4. Hayes, P., Carrijo, D. & Meints, B. Towards low cadmium accumulation in barley. Nat Food 1, 465 (2020).


原文連結：

https://www.nature.com/articles/s43016-020-0130-x

https://www.nature.com/articles/s43016-020-0135-5

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