廣東
近日，中科院遺傳發育所/崖州灣國家實驗室李家洋院士團隊與合作者在國際著名期刊PNAS發表題為Genome-edited rice variety with low-cadmium accumulation in the grain的研究論文。該研究由遺傳發育所/崖州灣國家實驗室李家洋院士、余泓研究員、日本岡山大學馬建鋒教授團隊合作完成。黃勝、Noriyuki Konishi、陳偉才為論文的共同第一作者。
該研究通過堿基替換技術，靶向編輯水稻負責吸收鎘元素的核心轉運基因OsNramp5，創制了優異人工等位變異，發現了特異降低鎘吸收而不影響錳等其他關鍵金屬離子吸收的新機制，解決了低鎘與高產難以兼顧的難題，為鎘污染農田安全生產主糧提供了可落地的育種新方案。
鎘不是植物生長的必要元素，但其通過土壤-水稻-食物鏈進入人體長期攝入后，會引發腎功能損傷、癌癥、骨質疏松等嚴重健康問題。OsNramp5是水稻中負責從根部往莖部運輸鎘的關鍵轉運蛋白，但也同時負責錳離子等植物生長必須的金屬離子的運輸，敲除OsNramp5可以有效降低鎘的運輸，但也會造成其他必要金屬元素的缺乏，使水稻大幅減產。因此如何在不減產、不缺素的前提下，降低水稻籽粒中的鎘含量，一直是全球作物育種與重金屬安全領域的核心難題。
該研究以水稻OsNramp5基因為靶標，利用單堿基編輯器，采用堿基編輯飽和突變策略，設計238個sgRNA，構建了大規模突變體庫，篩選低鎘、高錳、不減產的優異等位變異。隨后，該研究鑒定到一個關鍵位點突變，即將OsNramp5蛋白第441位異亮氨酸突變為蘇氨酸（I441T）。該突變體OsNramp5I441T的籽粒鎘顯著下降，田間試驗顯示，糙米鎘含量顯著下降，同時突變體的產量與農藝性狀不變，株高、分蘗數、單株產量、秸稈生物量與野生型無顯著差異，錳、鋅、鐵等關鍵微量營養素在籽粒中含量穩定。
進一步，該研究證實OsNramp5除了已知的鎘與錳的轉運功能外，兼具鋅轉運的功能，而I441T突變顯著提升其對鋅的選擇性，使得根系細胞內鋅濃度升高，競爭性抑制鎘向木質部裝載，減少籽粒中的鎘積累。這一機制使得該突變在不改變OsNramp5的表達量、蛋白豐度與亞細胞定位且不削弱錳的轉運活性的基礎上，通過重塑底物選擇性，實現精準降鎘，保證正常生長所需礦質營養的運輸，是理想的實現低鎘積累的育種策略。
利用堿基編輯飽和突變OsNramp5基因創制優異人工等位
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