镉是一种对人体毒性较强的重金属，食物是人体镉摄入的主要来源。小麦是我国北方的主要粮食作物。在镉污染土壤种植小麦，籽粒镉含量可能超标，危害农产品安全。
赵方杰课题组在前期的研究中，发现小麦根系镉吸收能力低于水稻，这可能与小麦根系NRAMP5基因表达水平远低于水稻有关。然而，小麦根系向地上部转运镉的能力远高于水稻，并且小麦镉转运系数随着营养液镉浓度的增加而增加（Sui et al., 2018）。
为什么小麦根系向地上部转运镉的能力特别强？有什么办法可以限制镉向地上部转运，从而降低籽粒镉积累？赵方杰课题组围绕这些问题继续开展研究。通过水培实验发现，三个来自不同地区的小麦品种镉从根系向地上部的转运系数均远高于水稻低镉品种日本晴，但与高镉水稻品种W4中相似。已知日本晴液泡膜Cd转运蛋白OsHMA3有功能，而W4品种OsHMA3完全丧失功能。这些结果暗示，小麦向地上部高镉转运的表型可能与HMA3的功能有关。进一步分析了三个小麦品种的TaHMA3基因，六倍体的小麦基因组中含有三个TaHMA3基因，三个基因均编码定位于液泡膜的转运蛋白。通过酵母异源表达发现，三个TaHMA3蛋白均不具有镉转运功能，这意味着小麦根系将镉转运进入液泡储存的能力低，镉更容易向地上部转运。
研究团队进一步将低镉水稻品种日本晴的OsHMA3在小麦中过量表达。在水培条件下，与野生型相比，转OsHMA3基因的小麦根系向地上部镉转运系数降低了十倍。在盆栽试验中（土壤含2 mg Cd kg-1），野生型小麦籽粒镉含量为0.35 – 0.45 mg kg-1, 超标两倍左右，转OsHMA3基因的小麦籽粒镉含量为0.008 – 0.01 mg kg-1, 降幅高达96%（图1），而必需微量元素（Fe、Zn、Cu、Mn）含量不受影响。这些研究结果表明，小麦TaHMA3丧失了将镉转运进入液泡的功能，导致根系向地上部高镉转运表型，过量表达有功能的OsHMA3是降低小麦籽粒镉含量极为高效的手段。
图1. 过量表达OsHMA3基因大幅度降低小麦籽粒镉含量。Fielder为野生型品种，NG为从T0代分离出来的未转基因株系，OX-1/2/3为三个独立转基因株系。
该研究成果以“Overexpression of rice OsHMA3 in wheat greatly decreases cadmium accumulation in wheat grain”为标题在Environmental Science & Technology在线发表，南京农业大学博士研究生张凌霄为第一作者，赵方杰为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委资助。
来源：南京农业大学。论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c02877
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