近日，云南大学资源植物研究院的多年 生 稻 团 队 雷 贵 杰 课 题 组 在 NewPhytologist 发 表 了 题 为“A vacuolartransporter plays important roles in zincand cadmium accumulation in rice grain”的研究论文，揭示了水稻液泡膜定位的锌转运蛋白OsMTP1在提高稻米Zn含量、降低稻米Cd含量中的功能。
锌（Zn）是生物必需的微量营养元素，缺锌危害世界约 17%人口的健康，Zn被认为是一种“隐性饥饿”元素。水稻是世界一半以上人口的主食，但稻米Zn 含量普遍偏低，不能提供维持人体健康所需的足够的 Zn，主要是因为全球约 50%的稻田土壤缺锌以及糙米中约 40%的 Zn 在精米加工过程中损失。然而，稻米通常是人体摄入镉（Cd）的重要来源。Cd对于细胞来说是具有高度毒性的重金属，会提高人体患肾衰竭、骨质疏松症和癌症等疾病的风险。因此，增加稻米中的锌含量同时减少镉含量对人类健康至关重要。
Cd和Zn是同族元素，Cd在水稻中部分共享Zn的转运系统。至今尚未发现可用于提高稻米 Zn 含量，同时降低Cd含量的基因。此外，Zn和Cd在稻米不同部位特异积累的分子机制尚未清楚 。 OsMTP1 属 于 阳 离 子 扩 散 因 子（CDF）蛋白家族，该家族主要负责运输金属离子。以往研究表明，OsMTP1可能定位于洋葱表皮细胞的质膜，或拟南芥细胞的液泡膜，但其在水稻中的亚细胞定位尚未明确；OsMTP1-RNAi水稻株系的根系积累了更多的 Zn 和 Cd，但叶和种子的Zn和Cd却在减少，而不同于 atmtp1 突 变 体 。 因 此 ，水 稻 中OsMTP1的确切功能尚未明确。
雷贵杰组通过 LA-ICP-MS 明确了糙米中的Zn主要沉积于胚和糊粉层（米糠），然后通过 RNA-seq 筛选获得在胚和糊粉层中高表达的候选转运蛋白基因 OsMTP1。明确了 OsMTP1 定位于液泡膜，OsMTP1 在根、糊粉层和胚中高表达。发现了 OsMTP1 基因突变不影响稻米产量，但osmtp1突变体的根系、胚和糊粉层中的 Zn 浓度显著降低，同时，地上部、糙米（+41%）和精米（+30%）中的 Zn 浓度大幅升高。酵母实验表明，OsMTP1 运输 Zn 离子，很可能不运输Cd离子。但osmtp1突变体的秸秆、糙米（-75%）和精米（-63%）的Cd浓度大幅降低。另外，单倍型分析还发现了 2 个优异 OsMTP1 等位基因与精米高Zn积累显著相关。
总之，该研究表明，液泡膜定位的OsMTP1 能 将 Zn 运 输 进 入 液 泡 ，OsMTP1 基因敲除导致更多的 Zn 分配到秸秆、糙米和精米，同时间接抑制Cd向秸秆、糙米和精米分配积累，但没有影响产量。OsMTP1 是可用于培育高Zn 低 Cd 稻米的优异基因，对培育稻米矿质元素理性积累，以及培育安全营养的水稻品种提供了新思路。云南大学资源植物研究院多年生稻团队的雷贵杰研究员为该论文的通讯作者；云南大学在读博士生宁敏、硕士生刘石佳和长江大学农学院邓锋林教授为共同第一作者；云南大学多年生稻团队带头人胡凤益教授和黄立钰副教授、硕士生李虎，以及中国科学院南京土壤研究所车景研究员、日本冈山大学 Naoki Yamaji 副 教 授 参 与 了 该 研究。特别感谢日本冈山大学马建锋教授为该研究提供的重要帮助。该研究得到了云南省科学技术厅、国家自然科学基金委、湖北洪山实验室、云南大学等单位项目的资助。
雷贵杰长期从事作物—矿质元素高效利用与抗逆方面的研究，以通讯/第一作者身份在 Nat Food（2020）、MolPlant（2020）、New Phytol（2017/2021/2023）、JIPB（2020）、Plant Cell Environ（2014）等生物学期刊发表多篇论文。
（资源植物研究院）