水稻镉积累相关基因家族研究进展

袁雪　马海燕　马亚飞　陆龙千

摘要 重金属镉会给人体健康带来很大的危害，降低水稻籽粒中的重金属镉含量成为了很多学者研究的内容。通过对水稻镉积累相关基因家族的概述及近些年的研究进展进行分析，希望能从中得到新的研究思路与方向。

关键词 水稻;家族基因;镉

中图分类号 S-3文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）16-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.001

开放科学（资源服务）标识码（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粮食作物，在我国种植面积非常广泛。近年来，由于工业污染物的排放，土壤镉污染日益严重，随之带来的粮食安全问题也成为了大家聚焦的重点。目前，我国耕地重金属超标率在35%左右，面积将近 2 000万hm2[1]。大米镉超标会严重威胁人类健康，带来诸多健康问题，引起多种疾病，比如癌症、骨质疏松、肾结石等，甚至会影响智力发育。探讨如何降低水稻对镉的吸收转运，以期降低水稻籽粒中的镉含量，对食品健康等问题都有着十分积极的作用。

近年来，科学家们通过两大途径降低水稻籽粒中的镉含量，一种是治理降低农田土壤中的镉含量，以期降低植株的吸收量;另一种是选育低镉吸收的水稻镉安全材料，从植物本身来降低其镉含量。在不断探索植物体对镉吸收的生理生化过程中，科学家不断发现了水稻中众多调控或参与调控的相关蛋白，它们所代表的基因家族也陆陆续续被挖掘研究。笔者就目前发现的调控水稻镉的吸收、转运等过程主要的相关基因家族进行概括分析，为今后低镉积累水稻品种的选育提供相应的分子生物学信息。

1 NRAMP家族

天然抗性相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）是由一个大家族组成的完整的膜蛋白。NRAMP蛋白家族作为一种二价金属转运体，在从细菌到人类的各种生物中发挥着广泛的作用，用于运输一系列二价金属阳离子，包括铁、锰、镉和锌[2-3]。NRAMP基因已在多种植物中得到鉴定（图1）[4]。在水稻中，NRAMP蛋白家族中有7个成员。它们分别被鉴定为OsNRAMP1、OsNRAMP2、OsNRAMP3、OsNRAMP4、OsNRAMP5、OsNRAMP6和OsNRAMP7。其中，OsNRAMP3参与锰的转运[5]，OsNRAMP4参与三价铝离子的转运[6]。

1.1 OsNRAMP1

OsNRAMP1最早发现其与水稻体内铁离子的转运有关，是铁转运蛋白，在不同遗传背景的水稻中其表达量存在显著差异。OsNRAMP1定位在质膜上，主要在根系中表达。Takahashi等[7]发现OsNRAMP1基因也参与了水稻对镉的吸收，在镉高积累的水稻中是一个非常重要的蛋白。根系中OsNRAMP1表达水平的差异可以引起不同品种间镉积累的差异[7]。Tiwari M等[8]通过在酵母突变体（fet3fet4）中表达OsNRAMP1，发现OsNRAMP1可能参与镉在木质部的装载，使镉从根转运到芽中，但具体是如何影响的还不得而知。

1.2 OsNRAMP2 Zhao等[9]用312份水稻种质资源通过全基因组关联分析发现了14个跟镉积累有关的QTLs。新研究发现的QTL （qCd3 2）候选基因OsNRAMP2的表达分析表明，OsNRAMP2主要是在镉处理后高镉积累的幼苗中诱导的。在OsNRAMP2的开放阅读框中，发现了高、低镉积累材料之间的4个氨基酸差异。低镉积累的等位基因显著提高了酵母对镉的敏感性和积累。亚细胞定位分析表明，OsNRAMP2在水稻原生质体中表达。

1.3 OsNRAMP5 OsNRAMP5是水稻根部细胞参与吸收二价金属阳离子的主要转运蛋白，主要吸收Mn2+、Cd2+和Fe2+，同时负责这些离子从根部向地上部的运输，其表达受根表皮、外皮层、皮层外层及木质部周围组织的限制[10]。研究表明，突变体osnramp5所编码的缺陷转运蛋白显著降低了根系对镉的吸收，导致秸秆和籽粒中镉的含量降低[11]。Tang L等[12]报道了利用CRISPR/Cas9系统敲除金属转运体基因OsNRAMP5，开发出低镉积累、无转基因的籼稻新品系，此方法显著降低了水稻籽粒中的镉含量。

1.4 OsNRAMP6

AtNRAMP6定位于细胞器膜[13] （具体细胞器还不清楚），具有Cd2+转运活性。先前发现的大部分镉转运蛋白基因大多是在根部表达，而杨猛[14]发现OsNRAMP6具有Cd2+转运活性，且在幼叶中表达极显著高于其他组织。由此推断出OsNRAMP6可能参与幼叶中镉的解毒，但具体的表达特点及其功能还并不清楚。

2 HMA家族

P1b型重金属ATP酶（HMAs）最早是在微生物中发现的[15]。通过系统发育分析，主要分为2个不同的簇，一个是Cu团簇，在Cu、Ag转运中起作用，另一个是Zn团簇，在Zn、Co、Cd、Pb转运中起作用（图2）[16]。研究者们根据同源比对及酵母双杂试验，发现了拟南芥中第一个具有镉转运活性的HMA成员AtHMA4，属于Zn团簇[17-18]。P1b型重金属ATP酶家族成员在重金属运输及稳态平衡方面都起着重要作用[19]。目前与镉积累有关的家族基因有OsHMA2和OsHMA3，可能有关的OsHMA1、OsHMA9目前没有详细的研究进展，可能调控着Zn、Cu或Cd的稳定，拟南芥中的AtHMA1定位在叶绿体膜上，主要在绿色组织中表达[20]。高浓度的铜、锌和镉诱导时，OsHMA9表达。研究发现，OsHMA9主要表达在维管束和花药，经过绿色荧光蛋白融合将其定位于质膜[21]。

2.1 OsHMA3基因

关于HMA基因家族在拟南芥中的功能已有很多报道，其中AtHMA3的功能是将游离的隔转移进液泡中，阻止镉向上转移[22-23]。在此之前关于水稻该基因还未有报道。直到Miyadate等[24]通過正向遗传学手段克隆出OsHMA3基因，其主要定位在水稻根部，与AtHMA3都是定位在液泡膜上，反向调控镉在植物体内的转运。OsHMA3过表达能够降低水稻籽粒镉的积累，使水稻籽粒几乎不含镉，对籽粒产量或必需微量营养素浓度几乎没有影响，并且也提高了水稻对镉的耐受性[25]。当OsHMA2的启动子控制OsHMA3的表达时，可以通过将更多的镉隔绝到各个组织的液泡中，有效地减少镉在水稻籽粒中的积累[26]。籼稻通常比粳稻积累更多的镉在芽和籽粒中。但是，籼稻和粳稻镉吸收积累差异的遗传基础仍不清楚。Liu CL等[27]发现OsHMA3启动子序列变异的QTL GCC7是控制籼稻和粳稻籽粒Cd差异积累的重要决定因素。

2.2 OsHMA2基因 OsHMA2是一个重要的Zn和Cd的转运蛋白，与重金属ATP酶OsHMA3同源但功能完全不同，其C端区域是转运活性区域，不能缺失[28]。Yamaji等[29]通过构建的Tos17插入突变体，发现在根冠尖端Zn浓度降低，地上部的茎节和生殖器官中Zn和Cd的浓度降低。这说明OsHMA2在茎节中的表达对于Zn和Cd通过韧皮部优先运输到发育组织中发挥着重要作用。完全丧失OsHMA2的功能对于减少镉从根到芽的转运至关重要。Takahashi等[30]发现当OsHMA2过量表达且由OsSUT1启动子驱动OsHMA2时，转基因水稻种子中的镉含量降低一半，且其他金属含量基本不变。降低大米中镉的含量对于降低摄入镉的风险是迫切需要的，但是保持谷物中其他金属的平衡是很重要的，如果只降低水稻籽粒中镉积累的含量而不影响其他农艺性状，这将是非常有意义的。

3 ZIP家族

锌铁转运蛋白家族基因（ZIPs）是一种膜定位的阳离子转运蛋白[31-32]。它们普遍存在于原核细胞、真菌、植物和哺乳动物中。在拟南芥和水稻中，目前发现了大量的ZIPs基因（图3）[33]，但是只有少量的ZIPs在植物中进行了生物学功能的检测。其中水稻中铁转运蛋白2个，OsIRT1和OsIRT2;锌转运蛋白14个，OsZIP1、OsZIP2、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP7、OsZIP8、OsZIP9、OsZIP10、OsZIP11、OsZIP13、OsZIP14、OsZIP16。最近，对来自拟南芥的18个和来自水稻的16个ZIPs进行了注释[34]。

3.1 OsZIP1 OsZIP1在根部和花穗表达，负责吸收转运Zn和Cd。在缺Zn诱导下，其表达上调[35-36]。

Zheng等[33]曾系统性地研究了拟南芥和水稻本中的ZIPs在镉胁迫下的表达调控。拟南芥主要是根系ZIPs基因表达上调，水稻主要是茎ZIPs基因表达上调。有趣的是，一些基因，如AtIRT3、AtZIP5、AtZIP12、OsIRT1和OsZIP1，在镉胁迫下表现出相反的表达调控。AtIRT1、OsZIP1和OsZIP3能够增强对Cd胁迫的敏感性，在酵母细胞中表达时会增加镉的积累，这意味着它在植物直接吸收镉方面发挥了作用。

3.2 OsZIP6

OsZIP6预测具有8个跨膜螺旋，与AtZIP6同源性较高。OsZIP6在最大分蘖和灌浆中期的茎和根中均有表达，在茎中的表达高于根中的。Fe2+、Zn2+和Mn2+缺陷时，茎和根中OsZIP6表达增加。OsZIP6的离子转运能力与pH有关，在酸性pH下转运活性增强。Co2+、Fe2+和Cd2+可能是OsZIP6底物，底物亲和性Co2+>Cd2+>Fe2+，而Zn2+、Ni2+和Mn2+可能不是。此外，当Co2+存在时，OsZIP6对Fe2+的吸收存在竞争性抑制[37]。

3.3 OsIRT1和OsIRT2

水稻中的IRT1基因是通过对拟南芥中的IRT1基因同源克隆得到的，说明此基因序列具有高度的保守性，而OsIRT2基因也是因与OsIRT1高度同源而得以分离出，两者均在根中表达，定位在细胞质膜上。OsIRT1主要是吸收Fe2+，而OsIRT2主要吸收Fe3+[38-39]。后来，研究者们发现了OsIRT1、OsIRT2基因其对Zn、Cd的吸收也具有一定的作用，但是具体的功能及转运形式仍不清楚[40-41]。

4 CAX家族

钙氢离子交换蛋白基因（CAXs）在植物营养和信号转到中发挥着重要作用。CAXs是调节Ca2+浓度的转运体之一，有些也参与Cd2+和Mn2+的转运。最早是在拟南芥中克隆得到了CAX1和CAX2。根据氨基酸序列，OsCAXs可分为2个簇，OsCAX1a、OsCAX1b、OsCAX1c属于IA型，OsCAX2和OsCAX3属IB型（图4）[42-45]。

OsCAX1是高亲和性的Ca2+转运体，其定位在液泡膜上，参与维持高浓度Ca2+环境下细胞内Ca2+的动态平衡。相反，OsCAX2对Ca2+显示低亲和力而过表达CAX2的烟草植株积累的Ca2+、Cd2+和Mn2+要多于野生型。OsCAX2位于第3号染色体，主要在根和芽中大量表达。而OsCAX3是一种钙氢离子反向转运体，在植物体各部位都有所表达，也参与Mn2+的转运[42-43，45]。

5 LCT家族

水稻籽粒中的镉主要是通过韧皮部运输积累的。OsLCT1基因属于水稻体内的低亲合力阳离子运输蛋白，参与调控镉在韧皮部向籽粒的运输，定位于细胞质膜。OsLCT1基因敲出时，籽粒镉积累量是对照的一半，但其他金属含量及植株生长无明显影响[46]。在籼稻Kasalath中研究OsLCT1功能时发现，OsLCT1在Kasalath中的表达高于在Nipponbare中的表达高且对Cd、K、Mg、Ca和Mn具有外排活性，而对Fe、Zn、Cu和Na没有外排活性[47]。Liu等[48]通过基因编辑OsLCT1获得突变体，在镉含量0.9 mg/kg的稻田中种植，其籽粒中的镉含量未超出国家食品安全标准（0.2 mg/kg）。

目前對于水稻低亲合力阳离子运输蛋白家族基因（OsLCTs）的报道并不多，对OsLCT1的功能研究也不够深入。由于水稻中只存在该基因的一个拷贝，且对参与多种金属离子的转运，因此OsLCT1也可用于开发新的耐盐品种。

6 讨论

从上述的研究成果来看，关于镉吸收转运的功能基因很多都还没有进行系统的功能研究，因此对于水稻体内镉的吸收转运通路并不十分清楚，不同基因家族的联合功能分析也并不常见，多见于研究改变外部环境来影响相关基因表达的研究。此外，当研究上述家族基因的功能时，研究者大多利用突变体来研究，极少使用遗传群体来进行研究，比如近等基因系。并且，关于特异性吸收运输镉的相关基因报道并不常见，比如OsHMA3。镉特异性转运基因或QTLs的发现给后续培育低镉积累水稻品种工作提供了更好的思路。

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