水稻鎘積累相關基因家族研究進展

袁雪　馬海燕　馬亞飛　陸龍千

摘要?重金屬鎘會給人體健康帶來很大的危害，降低水稻籽粒中的重金屬鎘含量成為了很多學者研究的內(nèi)容。通過對水稻鎘積累相關基因家族的概述及近些年的研究進展進行分析，希望能從中得到新的研究思路與方向。

關鍵詞?水稻;家族基因;鎘

中圖分類號?S-3文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.001

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research?Progress?of?Cadmium?Accumulation?Related?Gene?Families?in?Rice

YUAN?Xue，MA?Hai?yan，MA?Ya?fei?et?al?（Agricultural?College，Guangxi?University，Nanning，Guangxi?530005?）

Abstract?Cadmium，a?heavy?metal，can?take?great?harm?to?human?health.Reducing?the?content?of?cadmium?in?rice?grains?has?become?the?research?content?of?many?scholars.By?summarizing?the?gene?families?related?to?cadmium?accumulation?in?rice?and?analyzing?the?research?progress?in?recent?years，this?paper?hopes?to?obtain?new?research?ideas?and?directions.

Key?words?Rice;Family?gene;Cadmium

水稻作為主要的世界糧食作物，在我國種植面積非常廣泛。近年來，由于工業(yè)污染物的排放，土壤鎘污染日益嚴重，隨之帶來的糧食安全問題也成為了大家聚焦的重點。目前，我國耕地重金屬超標率在35%左右，面積將近?2?000萬hm2[1]。大米鎘超標會嚴重威脅人類健康，帶來諸多健康問題，引起多種疾病，比如癌癥、骨質(zhì)疏松、腎結石等，甚至會影響智力發(fā)育。探討如何降低水稻對鎘的吸收轉(zhuǎn)運，以期降低水稻籽粒中的鎘含量，對食品健康等問題都有著十分積極的作用。

近年來，科學家們通過兩大途徑降低水稻籽粒中的鎘含量，一種是治理降低農(nóng)田土壤中的鎘含量，以期降低植株的吸收量;另一種是選育低鎘吸收的水稻鎘安全材料，從植物本身來降低其鎘含量。在不斷探索植物體對鎘吸收的生理生化過程中，科學家不斷發(fā)現(xiàn)了水稻中眾多調(diào)控或參與調(diào)控的相關蛋白，它們所代表的基因家族也陸陸續(xù)續(xù)被挖掘研究。筆者就目前發(fā)現(xiàn)的調(diào)控水稻鎘的吸收、轉(zhuǎn)運等過程主要的相關基因家族進行概括分析，為今后低鎘積累水稻品種的選育提供相應的分子生物學信息。

1?NRAMP家族

天然抗性相關巨噬細胞蛋白（NRAMP）是由一個大家族組成的完整的膜蛋白。NRAMP蛋白家族作為一種二價金屬轉(zhuǎn)運體，在從細菌到人類的各種生物中發(fā)揮著廣泛的作用，用于運輸一系列二價金屬陽離子，包括鐵、錳、鎘和鋅[2-3]。NRAMP基因已在多種植物中得到鑒定（圖1）[4]。在水稻中，NRAMP蛋白家族中有7個成員。它們分別被鑒定為OsNRAMP1、OsNRAMP2、OsNRAMP3、OsNRAMP4、OsNRAMP5、OsNRAMP6和OsNRAMP7。其中，OsNRAMP3參與錳的轉(zhuǎn)運[5]，OsNRAMP4參與三價鋁離子的轉(zhuǎn)運[6]。

1.1?OsNRAMP1

OsNRAMP1最早發(fā)現(xiàn)其與水稻體內(nèi)鐵離子的轉(zhuǎn)運有關，是鐵轉(zhuǎn)運蛋白，在不同遺傳背景的水稻中其表達量存在顯著差異。OsNRAMP1定位在質(zhì)膜上，主要在根系中表達。Takahashi等[7]發(fā)現(xiàn)OsNRAMP1基因也參與了水稻對鎘的吸收，在鎘高積累的水稻中是一個非常重要的蛋白。根系中OsNRAMP1表達水平的差異可以引起不同品種間鎘積累的差異[7]。Tiwari?M等[8]通過在酵母突變體（fet3fet4）中表達OsNRAMP1，發(fā)現(xiàn)OsNRAMP1可能參與鎘在木質(zhì)部的裝載，使鎘從根轉(zhuǎn)運到芽中，但具體是如何影響的還不得而知。

1.2?OsNRAMP2?Zhao等[9]用312份水稻種質(zhì)資源通過全基因組關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了14個跟鎘積累有關的QTLs。新研究發(fā)現(xiàn)的QTL?（qCd3?2）候選基因OsNRAMP2的表達分析表明，OsNRAMP2主要是在鎘處理后高鎘積累的幼苗中誘導的。在OsNRAMP2的開放閱讀框中，發(fā)現(xiàn)了高、低鎘積累材料之間的4個氨基酸差異。低鎘積累的等位基因顯著提高了酵母對鎘的敏感性和積累。亞細胞定位分析表明，OsNRAMP2在水稻原生質(zhì)體中表達。

1.3?OsNRAMP5?OsNRAMP5是水稻根部細胞參與吸收二價金屬陽離子的主要轉(zhuǎn)運蛋白，主要吸收Mn2+、Cd2+和Fe2+，同時負責這些離子從根部向地上部的運輸，其表達受根表皮、外皮層、皮層外層及木質(zhì)部周圍組織的限制[10]。研究表明，突變體osnramp5所編碼的缺陷轉(zhuǎn)運蛋白顯著降低了根系對鎘的吸收，導致秸稈和籽粒中鎘的含量降低[11]。Tang?L等[12]報道了利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除金屬轉(zhuǎn)運體基因OsNRAMP5，開發(fā)出低鎘積累、無轉(zhuǎn)基因的秈稻新品系，此方法顯著降低了水稻籽粒中的鎘含量。

1.4?OsNRAMP6

AtNRAMP6定位于細胞器膜[13]?（具體細胞器還不清楚），具有Cd2+轉(zhuǎn)運活性。先前發(fā)現(xiàn)的大部分鎘轉(zhuǎn)運蛋白基因大多是在根部表達，而楊猛[14]發(fā)現(xiàn)OsNRAMP6具有Cd2+轉(zhuǎn)運活性，且在幼葉中表達極顯著高于其他組織。由此推斷出OsNRAMP6可能參與幼葉中鎘的解毒，但具體的表達特點及其功能還并不清楚。

2?HMA家族

P1b型重金屬ATP酶（HMAs）最早是在微生物中發(fā)現(xiàn)的[15]。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，主要分為2個不同的簇，一個是Cu團簇，在Cu、Ag轉(zhuǎn)運中起作用，另一個是Zn團簇，在Zn、Co、Cd、Pb轉(zhuǎn)運中起作用（圖2）[16]。研究者們根據(jù)同源比對及酵母雙雜試驗，發(fā)現(xiàn)了擬南芥中第一個具有鎘轉(zhuǎn)運活性的HMA成員AtHMA4，屬于Zn團簇[17-18]。P1b型重金屬ATP酶家族成員在重金屬運輸及穩(wěn)態(tài)平衡方面都起著重要作用[19]。目前與鎘積累有關的家族基因有OsHMA2和OsHMA3，可能有關的OsHMA1、OsHMA9目前沒有詳細的研究進展，可能調(diào)控著Zn、Cu或Cd的穩(wěn)定，擬南芥中的AtHMA1定位在葉綠體膜上，主要在綠色組織中表達[20]。高濃度的銅、鋅和鎘誘導時，OsHMA9表達。研究發(fā)現(xiàn)，OsHMA9主要表達在維管束和花藥，經(jīng)過綠色熒光蛋白融合將其定位于質(zhì)膜[21]。

2.1?OsHMA3基因

關于HMA基因家族在擬南芥中的功能已有很多報道，其中AtHMA3的功能是將游離的隔轉(zhuǎn)移進液泡中，阻止鎘向上轉(zhuǎn)移[22-23]。在此之前關于水稻該基因還未有報道。直到Miyadate等[24]通過正向遺傳學手段克隆出OsHMA3基因，其主要定位在水稻根部，與AtHMA3都是定位在液泡膜上，反向調(diào)控鎘在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運。OsHMA3過表達能夠降低水稻籽粒鎘的積累，使水稻籽粒幾乎不含鎘，對籽粒產(chǎn)量或必需微量營養(yǎng)素濃度幾乎沒有影響，并且也提高了水稻對鎘的耐受性[25]。當OsHMA2的啟動子控制OsHMA3的表達時，可以通過將更多的鎘隔絕到各個組織的液泡中，有效地減少鎘在水稻籽粒中的積累[26]。秈稻通常比粳稻積累更多的鎘在芽和籽粒中。但是，秈稻和粳稻鎘吸收積累差異的遺傳基礎仍不清楚。Liu?CL等[27]發(fā)現(xiàn)OsHMA3啟動子序列變異的QTL?GCC7是控制秈稻和粳稻籽粒Cd差異積累的重要決定因素。

2.2?OsHMA2基因?OsHMA2是一個重要的Zn和Cd的轉(zhuǎn)運蛋白，與重金屬ATP酶OsHMA3同源但功能完全不同，其C端區(qū)域是轉(zhuǎn)運活性區(qū)域，不能缺失[28]。Yamaji等[29]通過構建的Tos17插入突變體，發(fā)現(xiàn)在根冠尖端Zn濃度降低，地上部的莖節(jié)和生殖器官中Zn和Cd的濃度降低。這說明OsHMA2在莖節(jié)中的表達對于Zn和Cd通過韌皮部優(yōu)先運輸?shù)桨l(fā)育組織中發(fā)揮著重要作用。完全喪失OsHMA2的功能對于減少鎘從根到芽的轉(zhuǎn)運至關重要。Takahashi等[30]發(fā)現(xiàn)當OsHMA2過量表達且由OsSUT1啟動子驅(qū)動OsHMA2時，轉(zhuǎn)基因水稻種子中的鎘含量降低一半，且其他金屬含量基本不變。降低大米中鎘的含量對于降低攝入鎘的風險是迫切需要的，但是保持谷物中其他金屬的平衡是很重要的，如果只降低水稻籽粒中鎘積累的含量而不影響其他農(nóng)藝性狀，這將是非常有意義的。

3?ZIP家族

鋅鐵轉(zhuǎn)運蛋白家族基因（ZIPs）是一種膜定位的陽離子轉(zhuǎn)運蛋白[31-32]。它們普遍存在于原核細胞、真菌、植物和哺乳動物中。在擬南芥和水稻中，目前發(fā)現(xiàn)了大量的ZIPs基因（圖3）[33]，但是只有少量的ZIPs在植物中進行了生物學功能的檢測。其中水稻中鐵轉(zhuǎn)運蛋白2個，OsIRT1和OsIRT2;鋅轉(zhuǎn)運蛋白14個，OsZIP1、OsZIP2、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP7、OsZIP8、OsZIP9、OsZIP10、OsZIP11、OsZIP13、OsZIP14、OsZIP16。最近，對來自擬南芥的18個和來自水稻的16個ZIPs進行了注釋[34]。

3.1?OsZIP1?OsZIP1在根部和花穗表達，負責吸收轉(zhuǎn)運Zn和Cd。在缺Zn誘導下，其表達上調(diào)[35-36]。

Zheng等[33]曾系統(tǒng)性地研究了擬南芥和水稻本中的ZIPs在鎘脅迫下的表達調(diào)控。擬南芥主要是根系ZIPs基因表達上調(diào)，水稻主要是莖ZIPs基因表達上調(diào)。有趣的是，一些基因，如AtIRT3、AtZIP5、AtZIP12、OsIRT1和OsZIP1，在鎘脅迫下表現(xiàn)出相反的表達調(diào)控。AtIRT1、OsZIP1和OsZIP3能夠增強對Cd脅迫的敏感性，在酵母細胞中表達時會增加鎘的積累，這意味著它在植物直接吸收鎘方面發(fā)揮了作用。

3.2?OsZIP6

OsZIP6預測具有8個跨膜螺旋，與AtZIP6同源性較高。OsZIP6在最大分蘗和灌漿中期的莖和根中均有表達，在莖中的表達高于根中的。Fe2+、Zn2+和Mn2+缺陷時，莖和根中OsZIP6表達增加。OsZIP6的離子轉(zhuǎn)運能力與pH有關，在酸性pH下轉(zhuǎn)運活性增強。Co2+、Fe2+和Cd2+可能是OsZIP6底物，底物親和性Co2+>Cd2+>Fe2+，而Zn2+、Ni2+和Mn2+可能不是。此外，當Co2+存在時，OsZIP6對Fe2+的吸收存在競爭性抑制[37]。

3.3?OsIRT1和OsIRT2

水稻中的IRT1基因是通過對擬南芥中的IRT1基因同源克隆得到的，說明此基因序列具有高度的保守性，而OsIRT2基因也是因與OsIRT1高度同源而得以分離出，兩者均在根中表達，定位在細胞質(zhì)膜上。OsIRT1主要是吸收Fe2+，而OsIRT2主要吸收Fe3+[38-39]。后來，研究者們發(fā)現(xiàn)了OsIRT1、OsIRT2基因其對Zn、Cd的吸收也具有一定的作用，但是具體的功能及轉(zhuǎn)運形式仍不清楚[40-41]。

4?CAX家族

鈣氫離子交換蛋白基因（CAXs）在植物營養(yǎng)和信號轉(zhuǎn)到中發(fā)揮著重要作用。CAXs是調(diào)節(jié)Ca2+濃度的轉(zhuǎn)運體之一，有些也參與Cd2+和Mn2+的轉(zhuǎn)運。最早是在擬南芥中克隆得到了CAX1和CAX2。根據(jù)氨基酸序列，OsCAXs可分為2個簇，OsCAX1a、OsCAX1b、OsCAX1c屬于IA型，OsCAX2和OsCAX3屬IB型（圖4）[42-45]。

OsCAX1是高親和性的Ca2+轉(zhuǎn)運體，其定位在液泡膜上，參與維持高濃度Ca2+環(huán)境下細胞內(nèi)Ca2+的動態(tài)平衡。相反，OsCAX2對Ca2+顯示低親和力而過表達CAX2的煙草植株積累的Ca2+、Cd2+和Mn2+要多于野生型。OsCAX2位于第3號染色體，主要在根和芽中大量表達。而OsCAX3是一種鈣氫離子反向轉(zhuǎn)運體，在植物體各部位都有所表達，也參與Mn2+的轉(zhuǎn)運[42-43，45]。

5?LCT家族

水稻籽粒中的鎘主要是通過韌皮部運輸積累的。OsLCT1基因?qū)儆谒倔w內(nèi)的低親合力陽離子運輸?shù)鞍祝瑓⑴c調(diào)控鎘在韌皮部向籽粒的運輸，定位于細胞質(zhì)膜。OsLCT1基因敲出時，籽粒鎘積累量是對照的一半，但其他金屬含量及植株生長無明顯影響[46]。在秈稻Kasalath中研究OsLCT1功能時發(fā)現(xiàn)，OsLCT1在Kasalath中的表達高于在Nipponbare中的表達高且對Cd、K、Mg、Ca和Mn具有外排活性，而對Fe、Zn、Cu和Na沒有外排活性[47]。Liu等[48]通過基因編輯OsLCT1獲得突變體，在鎘含量0.9?mg/kg的稻田中種植，其籽粒中的鎘含量未超出國家食品安全標準（0.2?mg/kg）。

目前對于水稻低親合力陽離子運輸?shù)鞍准易寤颍∣sLCTs）的報道并不多，對OsLCT1的功能研究也不夠深入。由于水稻中只存在該基因的一個拷貝，且對參與多種金屬離子的轉(zhuǎn)運，因此OsLCT1也可用于開發(fā)新的耐鹽品種。

6?討論

從上述的研究成果來看，關于鎘吸收轉(zhuǎn)運的功能基因很多都還沒有進行系統(tǒng)的功能研究，因此對于水稻體內(nèi)鎘的吸收轉(zhuǎn)運通路并不十分清楚，不同基因家族的聯(lián)合功能分析也并不常見，多見于研究改變外部環(huán)境來影響相關基因表達的研究。此外，當研究上述家族基因的功能時，研究者大多利用突變體來研究，極少使用遺傳群體來進行研究，比如近等基因系。并且，關于特異性吸收運輸鎘的相關基因報道并不常見，比如OsHMA3。鎘特異性轉(zhuǎn)運基因或QTLs的發(fā)現(xiàn)給后續(xù)培育低鎘積累水稻品種工作提供了更好的思路。

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