作物鎘耐受性機制及其育種應(yīng)用

田志剛

（山西省產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展研究中心，山西太原030001）

作物鎘耐受性機制及其育種應(yīng)用

田志剛

（山西省產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展研究中心，山西太原030001）

工業(yè)的飛速發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題，其中鎘（Cd）的過度排放已造成世界上大面積的耕地污染，并導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，Cd還能富集在農(nóng)作物中，嚴(yán)重威脅著人類的健康。綜述了Cd對農(nóng)作物和人類的危害，介紹了農(nóng)作物對Cd的吸收、運輸和解毒過程，闡述了Cd耐受基因/QTL的定位現(xiàn)狀及其耐受性分子機制，以及利用分子技術(shù)對鎘耐受性作物的發(fā)掘、鑒定和育種應(yīng)用情況，并對作物鎘耐受性機制及其育種應(yīng)用方面的研究前景進行了展望。

鎘；耐受機制；種質(zhì)發(fā)掘；基因/QTL定位；育種應(yīng)用

21世紀(jì)以來，由于工業(yè)廢水大量排放和礦產(chǎn)過度開采，導(dǎo)致重金屬污染嚴(yán)重影響農(nóng)作物生產(chǎn)，并威脅著全球人類的健康。其中，鎘離子（Cd）的污染范圍廣、危害程度深，已經(jīng)受到研究人員的極大關(guān)注。目前，中國、日本、加拿大、歐盟、澳大利亞等國家或地區(qū)都先后發(fā)布了鎘污染耕地報告[1]。在我國，已有1 300萬hm2耕地被鎘污染，僅廣東省就達170萬hm2，污染面積還在不斷擴大[2]。

1 Cd對農(nóng)作物和人類的危害

有研究表明，當(dāng)每克葉干質(zhì)量中的Cd含量累積超過5～10 μg時，作物開始出現(xiàn)中毒癥狀。細胞的光合作用、碳水化合物代謝等基礎(chǔ)生理過程受到顯著削弱，細胞質(zhì)膜的功能由于Cd的脂質(zhì)過氧化作用而發(fā)生改變，最終導(dǎo)致細胞死亡[3]。

此外，Cd通過農(nóng)作物（如水稻、小麥）進入人類食物鏈。以水稻為例，世界衛(wèi)生組織規(guī)定，水稻中鎘的最大允許濃度為0.4 mg/kg[4]。然而，在日本和泰國重金屬污染區(qū)收獲的稻米中鎘含量超標(biāo)7～10倍，這些鎘富集的稻米嚴(yán)重影響了人類健康。2001年日本出現(xiàn)了第1例由Cd毒性引起的人類疾病“Itai-itai”，之后在以稻米為主食的亞洲國家中陸續(xù)報道了由Cd毒性導(dǎo)致腎功能障礙、骨質(zhì)疏松癥和癌癥等各種疾病[5]。因此，深入研究農(nóng)作物對鎘的耐受性機制用于新品種選育，對糧食安全以及人類健康具有重要意義。

2 作物對Cd的吸收、運輸和解毒

由于植物無法移動，對生長環(huán)境存在很大的被動性，在根系從富含重金屬的土壤中攝取水分和養(yǎng)分的同時，不可避免地要吸入重金屬離子。然而大量研究證實，植株能通過自身的生理活動和分子響應(yīng)機制來將重金屬的毒性降到最低。

土壤中的Cd在進入作物根系的過程中首先被根細胞壁中的信號分子感知，在其進入根細胞之后胞內(nèi)活性氧簇（ROS）被誘導(dǎo)產(chǎn)生[6]，接著這些ROS通過激活MAPK級聯(lián)系統(tǒng)和鈣信號系統(tǒng)來對茉莉酸、脫落酸和水楊酸等應(yīng)激相關(guān)激素水平進行調(diào)節(jié)[6]。與此同時，ROS還激活了細胞抗氧化系統(tǒng)，細胞中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等還原酶含量迅速提高，用來清除ROS，減少細胞損傷[7]。此外，轉(zhuǎn)錄因子也被激活，進而觸發(fā)下游的一系列解毒基因[6]。這些解毒基因一部分編碼螯合相關(guān)蛋白，如水稻螯合肽合酶（Os-PCS1）和金屬硫蛋白（OsMT1），前者以谷胱甘肽作為底物，生成含硫植物螯合素（PC），PC和MT均能與Cd螯合為絡(luò)合物并轉(zhuǎn)移到液泡中[7]；另一部分解毒基因則編碼位于質(zhì)膜中的各種轉(zhuǎn)運蛋白，如水稻OsZIP1，OsHMA1，OsNramp1等，從而將過量的Cd運輸?shù)郊毎鈁7]。從作物整體水平來看，運輸?shù)郊毎獾牟糠諧d會繼續(xù)由轉(zhuǎn)運蛋白通過木質(zhì)部運輸?shù)巾g皮部，例如，水稻中OsNramp5和OsHMA2能將Cd從根部運送至穗部，最終再由OsLCT1等轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)移到籽粒中[8]，造成Cd的富集。近年來，研究還發(fā)現(xiàn)miRNA在作物對Cd耐受性過程中發(fā)揮著重要作用[6]。

3 農(nóng)作物Cd耐受性品種的發(fā)掘鑒定

基于已有的重金屬耐受機制，研究人員可以從農(nóng)作物種質(zhì)中鑒定出對鎘離子吸收量少的品種，將其中的優(yōu)異基因進行定位并用于耐受性新品種的選育。目前在多種作物中已鑒定出許多具有低Cd積累的種質(zhì)。

在水稻中，ARAO等[9]從49個水稻品種中鑒定出1個非洲栽培稻品種具有較好的Cd耐受性。HE等[10]對38個波蘭水稻品種鑒定發(fā)現(xiàn)，粳稻比秈稻具有更小的Cd積累量，最小的只有0.06 mg/kg，而SHI等[11]則鑒定出積累量只有0.004 mg/kg的水稻品種。此外，CAO等[12]從我國12個產(chǎn)區(qū)的152個水稻品種中鑒定出秀水817、嘉優(yōu)08-1和春優(yōu)689等3個低鎘品種。有研究表明，耐受性水稻品種可比非耐受性品種增產(chǎn)50%[12]，因此，上述低鎘水稻品種在育種工作中具有重要意義。

在其他作物中，CLARKE等[13]篩選出1個籽粒鎘含量很低的硬粒小麥品系8982-TL-L。ARAO等[14]鑒定了低鎘大豆品種En-b0-1-2。DUNBAR等[15]發(fā)現(xiàn)了低鎘馬鈴薯品種Kennebec。CHEN等[16]鑒定了低鎘大麥品種Beitalys和Shang98-128。ROUT等[17]鑒定了低鎘綠豆品種K-851，LGG-407和PDM-116。這些材料的發(fā)掘鑒定為作物鎘耐受品種的選育提供了豐富的親本來源。

4 作物中Cd耐受基因/QTL的定位

將Cd耐受作物品種構(gòu)建遺傳群體，利用包括高通量分子標(biāo)記在內(nèi)的諸多基因組學(xué)新研究成果，可對賦予了作物Cd耐受性的基因/QTL進行定位，從而更好的用于分子育種選擇。在水稻中，目前已經(jīng)在第11號染色體上定位了1個控制Cd從根運輸?shù)角o的主效QTL；在第3號染色體上定位了1個低鎘相關(guān)的QTL-Hd6，并從中克隆了qlGCd3基因[18]（連鎖標(biāo)記RM16153）；在第7號染色體上還報道了1個控制Cd轉(zhuǎn)運的QTL-qCdT7和1個控制Cd積累的QTL-qCdp7[18]，并從qCdp7中克隆了OsHMA3（連鎖標(biāo)記RM2126和RM21268）。此外，在硬粒小麥5B染色體上發(fā)現(xiàn)了控制Cd吸收的Cdu1基因[19]。在大豆中也定位了1個與低Cd積累相關(guān)的基因座Cda1（連鎖標(biāo)記SacK149）和1個主效QTL-qRCd9[20]（連鎖標(biāo)記NAUrp011_754和EM5me6_286）。

下一代測序（NGS）技術(shù)的飛速發(fā)展預(yù)示著基因/QTL定位開始從基因組水平進入轉(zhuǎn)錄組水平?；赗NA-Seq分析，在水稻中發(fā)現(xiàn)了1 172個Cd-響應(yīng)基因[21]。在大麥中，通過比較鎘耐受品種和敏感品種的轉(zhuǎn)錄組，鑒定出91個Cd響應(yīng)基因[22]。在大豆中，利用代謝組學(xué)對耐受品種進行分析，發(fā)現(xiàn)了一組在Cd螯合途徑中起重要作用的相關(guān)蛋白[23]。這些前沿分子技術(shù)的應(yīng)用進一步加深了研究人員對作物Cd脅迫響應(yīng)分子機制的理解，大大提高了定位目標(biāo)基因的效率。

5 Cd耐受基因/QTL的育種應(yīng)用

上述定位的Cd耐受相關(guān)基因/QTL及其分子標(biāo)記已經(jīng)被廣泛用于分子輔助選擇（MAS），如ISHIKAWA等[24]將水稻品種Kasalath的鎘耐受相關(guān)QTL導(dǎo)入Koshihikari，已成功獲得改良品種；另外，利用標(biāo)記RM8007和RM3635育成了包含耐鎘基因OsNramp5的水稻低鎘品種。在硬粒小麥中，利用標(biāo)記OPC20已經(jīng)育成多個低鎘品種，包括Strongfield，Eurostar，Brigade，CDCVerona和CDC Vivid[25]。

除了利用MAS選育耐受作物品種以外，基因工程能克服物種間的雜交限制，可以將優(yōu)異鎘耐受基因?qū)氩煌淖魑镏?，目前已在多種作物中取得了成功。鑒于轉(zhuǎn)運蛋白在轉(zhuǎn)移重金屬方面的重要作用，SASAKI等[26]向水稻中轉(zhuǎn)入OsHMA3基因使之在植株中過表達，獲得了對Cd具有較強耐受性的水稻株系。VENKATARAMAIAH等[27]則將OsMT1基因?qū)胨局仓?，該基因編碼的金屬結(jié)合肽能螯合Cd，提高植株對Cd的耐受性。而將大麥抗壞血酸過氧化物酶基因（HvAPX1）轉(zhuǎn)入擬南芥中過表達，也觀察到植株對Cd耐受性的提高[28]。

從另一個角度看，利用基因工程還可以培育出對重金屬吸收能力強的植物來降低耕地中的Cd離子。例如，將水稻胞質(zhì)半胱氨酸合酶基因OsRCS1轉(zhuǎn)入煙草，大大提高了煙草吸收Cd的能力，可用來治理稻田中的Cd污染[29]。

6 展望

重金屬污染已成為作物和人類遇到的最重要的非生物脅迫之一，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和人類健康[1，5]。因此，從作物種質(zhì)庫中發(fā)掘Cd耐受性材料、深入研究耐受分子機制、選育低鎘含量的品種是今后研究的重點。目前分子育種在提高作物的Cd脅迫耐受性方面尚處于起步階段，但隨著分子技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)或代謝組學(xué)開發(fā)的高通量芯片分型和基因組締合研究（GWAS）等技術(shù)，對耐受性相關(guān)分子機制闡明、基因/QTL定位以及目標(biāo)基因育種應(yīng)用具有巨大的推動作用。此外，基因工程技術(shù)將極大地促進優(yōu)異Cd耐受基因在多種作物間的利用，同時還可以改造出對Cd吸附能力強的植物，用來緩解耕地中的重金屬污染狀況，從而降低作物籽?；蚬麑嵵蟹e累的Cd，保護食品安全和人類健康。

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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

S46

：A

：1002-2481（2017）07-1205-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.41

2017-02-20

田志剛（1983-），男，山西晉中人，助理研究員，主要從事科技政策檢索和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全方面的工作。