镉（Cd）是毒性很强的重金属，它通过食物链积累于人体后可危害身体健康。早年发生于日本的“痛痛病”就是由于食用含镉大米引起的。因此，培育镉含量低的农作物一直是镉研究的重要目标之一。近十年来植物镉积累研究取得了很多瞩目的成果，特别是在水稻中发掘了多个影响镉积累的基因，比如日本冈山大学马建锋教授课题组发现的OsNramp5，OsHMA3和OsHMA2等【1-3】。大麦作为全球第四重要的谷类作物，主要被用于酿造，食用及动物饲料等。因此大麦也是人们直接或间接摄取镉的来源。近日，日本冈山大学马建锋教授课题组在Nature子刊Nature Food发表题为Breeding for low cadmium barley by introgression of a Sukkula-like transposable element 的研究论文，发现了抑制大麦镉积累的因子并利用该因子培育了低镉大麦品种。Nature Food 同期刊发了俄勒冈州立大学Patrick Hayes 等人题为Towards low cadmium accumulation in barley的评论文章【4】，介绍了马建锋教授的相关工作及其重要性，并对未来筛选低镉农作物提出了建议。马建锋课题组利用世界大麦核心品种进行镉积累的筛选，发现一个籽粒镉含量极低的品种BCS318。为了克隆其控制低镉的基因，他们把BCS318和镉含量较高的优质酿造品种Haruna Nijo杂交构建群体并进行QTL分析，找到了两个与镉积累有关的主效QTL，他们进一步对第五条染色体上的QTL进行图位克隆，最终发现HvHMA3是决定品种间镉积累差异的基因（图1）。HvHMA3主要在根部表达，两个品种的HvHMA3之间虽有19个氨基酸变异，但它们均定位于液泡膜，且具有相同的镉转运活性。然而，BCS318根系的HvHMA3基因表达量是Haruna Nijo的两倍。进一步实验表明该表达差异是由于BCS318品种HvHMA3上游的一个3.3 kb的转座子类似元件插入引起的。该元件通过增加转录起始位点从而提高HvHMA3表达。其他少数大麦品种中也检测到该元件的存在，它们的根系HvHMA3表达量均显著升高，且籽粒镉含量显著降低。因此，该转座子类似元件的插入增强了HvHMA3在根中表达，将更多的镉运输进入根部细胞液泡中隔离，最终减少镉被运输到地上部和籽粒。为了培育优质的低镉大麦，他们将BCS318与Haruna Nijo多次回交得到BC3F2。当BC3F2被种植在镉污染土壤和非污染土壤时，其籽粒镉含量仅分别为Haruna Nijo的15%和21%，而产量等主要农艺性状不受影响。因此，该研究发现的转座子类似元件为今后培育优质的低镉大麦品种提供了很好的遗传材料。马建锋教授实验室的雷贵杰博士为该论文的第一作者，马建锋教授为通讯作者。
参考文献
1. Sasaki, A., Yamaji, N., Yokosho, K. & Ma, J.F. Nramp5 is a major transporter responsible for manganese and cadmium uptake in rice. Plant Cell 24, 2155-2167 (2012).
2. Ueno, D., et al. Gene limiting cadmium accumulation in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16500–16505 (2010).
3. Yamaji, N., Xia, J.X., Mitani-Ueno, N., Yokosho, K. & Ma, J.F. Preferential delivery of zinc to developing tissues in rice is mediated by P-Type heavy Metal ATPase OsHMA2. Plant Physiol. 162, 927-939 (2013).
4. Hayes, P., Carrijo, D. & Meints, B. Towards low cadmium accumulation in barley. Nat Food 1, 465 (2020).
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s43016-020-0130-x
https://www.nature.com/articles/s43016-020-0135-5
