作物镉耐受性机制及其育种应用

2017-07-24田志刚

山西农业科学 2017年7期

关键词：螯合耐受性农作物

田志刚

（山西省产业技术发展研究中心，山西太原030001）

作物镉耐受性机制及其育种应用

田志刚

（山西省产业技术发展研究中心，山西太原030001）

工业的飞速发展带来了严峻的环境问题，其中镉（Cd）的过度排放已造成世界上大面积的耕地污染，并导致农作物减产，Cd还能富集在农作物中，严重威胁着人类的健康。综述了Cd对农作物和人类的危害，介绍了农作物对Cd的吸收、运输和解毒过程，阐述了Cd耐受基因/QTL的定位现状及其耐受性分子机制，以及利用分子技术对镉耐受性作物的发掘、鉴定和育种应用情况，并对作物镉耐受性机制及其育种应用方面的研究前景进行了展望。

镉；耐受机制；种质发掘；基因/QTL定位；育种应用

21世纪以来，由于工业废水大量排放和矿产过度开采，导致重金属污染严重影响农作物生产，并威胁着全球人类的健康。其中，镉离子（Cd）的污染范围广、危害程度深，已经受到研究人员的极大关注。目前，中国、日本、加拿大、欧盟、澳大利亚等国家或地区都先后发布了镉污染耕地报告[1]。在我国，已有1 300万hm2耕地被镉污染，仅广东省就达170万hm2，污染面积还在不断扩大[2]。

1 Cd对农作物和人类的危害

有研究表明，当每克叶干质量中的Cd含量累积超过5～10 μg时，作物开始出现中毒症状。细胞的光合作用、碳水化合物代谢等基础生理过程受到显著削弱，细胞质膜的功能由于Cd的脂质过氧化作用而发生改变，最终导致细胞死亡[3]。

此外，Cd通过农作物（如水稻、小麦）进入人类食物链。以水稻为例，世界卫生组织规定，水稻中镉的最大允许浓度为0.4 mg/kg[4]。然而，在日本和泰国重金属污染区收获的稻米中镉含量超标7～10倍，这些镉富集的稻米严重影响了人类健康。2001年日本出现了第1例由Cd毒性引起的人类疾病“Itai-itai”，之后在以稻米为主食的亚洲国家中陆续报道了由Cd毒性导致肾功能障碍、骨质疏松症和癌症等各种疾病[5]。因此，深入研究农作物对镉的耐受性机制用于新品种选育，对粮食安全以及人类健康具有重要意义。

2 作物对Cd的吸收、运输和解毒

由于植物无法移动，对生长环境存在很大的被动性，在根系从富含重金属的土壤中摄取水分和养分的同时，不可避免地要吸入重金属离子。然而大量研究证实，植株能通过自身的生理活动和分子响应机制来将重金属的毒性降到最低。

土壤中的Cd在进入作物根系的过程中首先被根细胞壁中的信号分子感知，在其进入根细胞之后胞内活性氧簇（ROS）被诱导产生[6]，接着这些ROS通过激活MAPK级联系统和钙信号系统来对茉莉酸、脱落酸和水杨酸等应激相关激素水平进行调节[6]。与此同时，ROS还激活了细胞抗氧化系统，细胞中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等还原酶含量迅速提高，用来清除ROS，减少细胞损伤[7]。此外，转录因子也被激活，进而触发下游的一系列解毒基因[6]。这些解毒基因一部分编码螯合相关蛋白，如水稻螯合肽合酶（Os-PCS1）和金属硫蛋白（OsMT1），前者以谷胱甘肽作为底物，生成含硫植物螯合素（PC），PC和MT均能与Cd螯合为络合物并转移到液泡中[7]；另一部分解毒基因则编码位于质膜中的各种转运蛋白，如水稻OsZIP1，OsHMA1，OsNramp1等，从而将过量的Cd运输到细胞外[7]。从作物整体水平来看，运输到细胞外的部分Cd会继续由转运蛋白通过木质部运输到韧皮部，例如，水稻中OsNramp5和OsHMA2能将Cd从根部运送至穗部，最终再由OsLCT1等转运蛋白转移到籽粒中[8]，造成Cd的富集。近年来，研究还发现miRNA在作物对Cd耐受性过程中发挥着重要作用[6]。

3 农作物Cd耐受性品种的发掘鉴定

基于已有的重金属耐受机制，研究人员可以从农作物种质中鉴定出对镉离子吸收量少的品种，将其中的优异基因进行定位并用于耐受性新品种的选育。目前在多种作物中已鉴定出许多具有低Cd积累的种质。

在水稻中，ARAO等[9]从49个水稻品种中鉴定出1个非洲栽培稻品种具有较好的Cd耐受性。HE等[10]对38个波兰水稻品种鉴定发现，粳稻比籼稻具有更小的Cd积累量，最小的只有0.06 mg/kg，而SHI等[11]则鉴定出积累量只有0.004 mg/kg的水稻品种。此外，CAO等[12]从我国12个产区的152个水稻品种中鉴定出秀水817、嘉优08-1和春优689等3个低镉品种。有研究表明，耐受性水稻品种可比非耐受性品种增产50%[12]，因此，上述低镉水稻品种在育种工作中具有重要意义。

在其他作物中，CLARKE等[13]筛选出1个籽粒镉含量很低的硬粒小麦品系8982-TL-L。ARAO等[14]鉴定了低镉大豆品种En-b0-1-2。DUNBAR等[15]发现了低镉马铃薯品种Kennebec。CHEN等[16]鉴定了低镉大麦品种Beitalys和Shang98-128。ROUT等[17]鉴定了低镉绿豆品种K-851，LGG-407和PDM-116。这些材料的发掘鉴定为作物镉耐受品种的选育提供了丰富的亲本来源。

4 作物中Cd耐受基因/QTL的定位

将Cd耐受作物品种构建遗传群体，利用包括高通量分子标记在内的诸多基因组学新研究成果，可对赋予了作物Cd耐受性的基因/QTL进行定位，从而更好的用于分子育种选择。在水稻中，目前已经在第11号染色体上定位了1个控制Cd从根运输到茎的主效QTL；在第3号染色体上定位了1个低镉相关的QTL-Hd6，并从中克隆了qlGCd3基因[18]（连锁标记RM16153）；在第7号染色体上还报道了1个控制Cd转运的QTL-qCdT7和1个控制Cd积累的QTL-qCdp7[18]，并从qCdp7中克隆了OsHMA3（连锁标记RM2126和RM21268）。此外，在硬粒小麦5B染色体上发现了控制Cd吸收的Cdu1基因[19]。在大豆中也定位了1个与低Cd积累相关的基因座Cda1（连锁标记SacK149）和1个主效QTL-qRCd9[20]（连锁标记NAUrp011_754和EM5me6_286）。

下一代测序（NGS）技术的飞速发展预示着基因/QTL定位开始从基因组水平进入转录组水平。基于RNA-Seq分析，在水稻中发现了1 172个Cd-响应基因[21]。在大麦中，通过比较镉耐受品种和敏感品种的转录组，鉴定出91个Cd响应基因[22]。在大豆中，利用代谢组学对耐受品种进行分析，发现了一组在Cd螯合途径中起重要作用的相关蛋白[23]。这些前沿分子技术的应用进一步加深了研究人员对作物Cd胁迫响应分子机制的理解，大大提高了定位目标基因的效率。

5 Cd耐受基因/QTL的育种应用

上述定位的Cd耐受相关基因/QTL及其分子标记已经被广泛用于分子辅助选择（MAS），如ISHIKAWA等[24]将水稻品种Kasalath的镉耐受相关QTL导入Koshihikari，已成功获得改良品种；另外，利用标记RM8007和RM3635育成了包含耐镉基因OsNramp5的水稻低镉品种。在硬粒小麦中，利用标记OPC20已经育成多个低镉品种，包括Strongfield，Eurostar，Brigade，CDCVerona和CDC Vivid[25]。

除了利用MAS选育耐受作物品种以外，基因工程能克服物种间的杂交限制，可以将优异镉耐受基因导入不同的作物中，目前已在多种作物中取得了成功。鉴于转运蛋白在转移重金属方面的重要作用，SASAKI等[26]向水稻中转入OsHMA3基因使之在植株中过表达，获得了对Cd具有较强耐受性的水稻株系。VENKATARAMAIAH等[27]则将OsMT1基因导入水稻植株，该基因编码的金属结合肽能螯合Cd，提高植株对Cd的耐受性。而将大麦抗坏血酸过氧化物酶基因（HvAPX1）转入拟南芥中过表达，也观察到植株对Cd耐受性的提高[28]。

从另一个角度看，利用基因工程还可以培育出对重金属吸收能力强的植物来降低耕地中的Cd离子。例如，将水稻胞质半胱氨酸合酶基因OsRCS1转入烟草，大大提高了烟草吸收Cd的能力，可用来治理稻田中的Cd污染[29]。

6 展望

重金属污染已成为作物和人类遇到的最重要的非生物胁迫之一，严重影响作物产量、品质和人类健康[1，5]。因此，从作物种质库中发掘Cd耐受性材料、深入研究耐受分子机制、选育低镉含量的品种是今后研究的重点。目前分子育种在提高作物的Cd胁迫耐受性方面尚处于起步阶段，但随着分子技术的迅猛发展，基于基因组学、转录组学或代谢组学开发的高通量芯片分型和基因组缔合研究（GWAS）等技术，对耐受性相关分子机制阐明、基因/QTL定位以及目标基因育种应用具有巨大的推动作用。此外，基因工程技术将极大地促进优异Cd耐受基因在多种作物间的利用，同时还可以改造出对Cd吸附能力强的植物，用来缓解耕地中的重金属污染状况，从而降低作物籽粒或果实中积累的Cd，保护食品安全和人类健康。

［1］JHA U C，BOHRA A.Genomics enabled breeding approaches for improving cadmium stress tolerance in plants[J].Euphytica，2016，208（1）：1-31.

［2］LIUWT，ZHOUQX，SUNYB，et al.Identification ofChinese cabbage genotypes with low cadmium accumulation for food safety[J]. Environ Pollut，2009，157：1961-1967.

［3］MICHELE R D，VURRO E，RIGO C，et al.Nitric oxide is involved in cadmium-induced programmed cell death in Arabidopsis suspension cultures[J].Plant Physiol，2009，150：217-228.

［4］CODEX ALIMENTARIUS COMMISSION.Joint FAO/WHO food standards programme[C]//Report of the 33rd session of the codex committee on food additives and contaminants.Hague，Netherlands：Codex Alimentarius Commission，2001：Appendix XV，285.

［5］MEHARG A A，NORTON G，DEACON C，et al.Variation in rice cadmium related to human exposure[J].Environ Sci Technol， 2013，47：5613-5618.

［6］CHMIELOWSKA-BAK J，GZYL J，RUCINSKA S R，et al.The new insights into cadmium sensing[J].Front Plant Sci，2014，5：1-13.

［7］DALCORSO G，FARINATI S，FURINI A.Regulatory networks of cadmium stress in plants[J].Plant Signal Behav，2010，5：663-667.

［8］CLEMENS S，AARTS G M，THOMINE S，et al.Plant science:the key to preventing slow cadmium poisoning[J].Trends Plant Sci，2013，18：92-99.

［9］ARAOT，AE N.Genotypic variations in cadmium levels ofrice grain [J].Soil Sci Plant Nutr，2003，287：223-233.

［10］HE J，ZHU C，REN Y，et al.Genotypic variation in grain cadmium concentration of lowland rice[J].J Plant Nutr Soil Sci，2006，169：711-716.

［11］SHI J，LI L，PAN G.Variation of grain Cd and Zn concentrations of 110 hybrid rice cultivars grown in a low-Cd paddy soil[J].J Environ Sci（China），2009，21：168-172.

［12］CAO F，WANG R，CHENG W，et al.Genotypic and environmental variation in cadmium，chromium，lead and copper in rice and approaches for reducing the accumulation[J].Sci Total Environ，2014，496：275-281.

［13］CLARKE J M，NORVELL W A，CLARKE F R，et al.Concentration of cadmium and other elements in the grain of near-isogenic durum lines[J].Can J Plant Sci，2002，82：27-33.

［14］ARAO T，AE N，SUGIYAMA M，et al.Genotypic differences in cadmium uptake and distribution in soybeans[J].Plant Soil，2003，251：247-253.

［15］DUNBAR K R，MCLAUGHLIN M J，REID R J.The uptake and partitioning of cadmium in two cultivars of potato（Solanum tuberosum L.）[J].J Exp Bot，2003，54：349-354.

［16］CHEN F，DONG J，WANG F，et al.Identification of barley genotypes with low grain Cd accumulation and its interaction with four microelements[J].Chemosphere，2007，67：2082-2088.

［17］ROUT G R，SAMANTARAY S，DAS P.Differential cadmium tolerance of mung bean and rice genotypes in hydroponic culture[J]. Acta Agric Scand Sect B，Soil Plant Sci，2000，49：234-241.

［18］ABE T，NONOUE Y，ONO N，et al.Detection of QTLs to reduce cadmium content in rice grains using LAC23/Koshihikari chromosome segment substitution lines[J].Breed Sci，2013，63：284-291.

［19］WIEBE K，HARRIS N S，FARIS J D，et al.Targeted mapping of Cdu1，a major locus regulating grain cadmium concentration in durum wheat（Triticum turgidum L.var durum）[J].Theor Appl Genet，2010，121：1047-1058.

［20］XU L，WANG L，GONG Y，et al.Genetic linkage map construction and QTL mapping of cadmium accumulation in radish（Raphanus sativus L.）[J].Theor Appl Genet，2012，125：659-670.

［21］LIN C Y，TRINH N N，FU S F，et al.Comparison of early transcriptome responses to copper and cadmium in rice roots[J].Plant Mol Biol，2013，81：507-522.

［22］CAO F，CHEN F，SUN H，et al.Genome-wide transcriptome and functional analysis of two contrasting genotypes reveals key genes for cadmium tolerance in barley[J].BMC Genom，2014，15：611.

Research Progress on Cd Tolerance Mechanism of Crops and Its Breeding Application

TIANZhigang
（Shanxi Province Industrial Technology Development Research Center，Taiyuan 030001，China）

The rapid development ofindustry brought serious environmental problems.Cadmium（Cd）excessive emissions causes a large area ofthe farmland pollution in the world and can lead to crop failures,and it is also a serious threat to human health because ofthe Cd enrichment in crops.This paper reviews the harm of Cd to crops and human physiology,the process of Cd uptake,transport and detoxification in crops,the present situation of Cd tolerance gene/QTL mapping and its molecular mechanism,and the exploring, identification and breeding application of Cd tolerance crops using molecular techniques.Finally,future research in Cd tolerance mechanism ofcrops and its breeding application is discussed.

Cd;tolerance mechanism;germplasm identification;gene/QTL mapping;breeding application