李東屏,郝小花,陳良碧,田連福

(1.湖南師范大學生命科學學院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點實驗室,中國湖南長沙410081；2.湖南文理學院生命與環(huán)境科學學院,中國湖南常德415000)

鎘(cadmium,Cd)是一種重金屬元素,自然條件下土壤本底Cd含量很低。然而,人類的活動,如采礦、冶煉化工等工業(yè)生產(chǎn)、污水灌溉、肥料施用等,導致部分耕地Cd含量顯著增加。目前國內約有27.8萬公頃的耕地被Cd污染[1～2]。

水稻從稻田吸收Cd并在稻米中積累,人們在食用含Cd的大米后,大部分Cd會被吸收并積累在體內產(chǎn)生毒性,危害人體健康。Cd在人體器官中積累,其中腎臟和肝臟的積累量占體內Cd總量的約60%。長期的Cd毒性易導致臟器功能受損,嚴重的甚至誘發(fā)癌變[3～5]。

已有大量的研究表明,遺傳因素對Cd吸收和轉運起重要調控作用。在相同環(huán)境條件下,水稻吸收、轉運和積累Cd的能力存在遺傳多樣性[6～9]。同時,環(huán)境因素一方面對稻田Cd形態(tài)有重要影響,如土壤酸堿度(pH值)、氧化還原狀態(tài)(Eh)、其他離子的含量、土壤微生物等會影響游離態(tài)Cd的含量,從而影響水稻的Cd吸收；另一方面環(huán)境因素的變化也會影響水稻相關基因的表達,從而可能影響水稻Cd的吸收與轉運。因此,施用石灰、硒、硅等及全程淹水、施加含有益微生物的菌肥等措施,能鈍化稻田中的Cd,進而有效降低水稻根系的Cd吸收,是重要的應急農藝措施,但在執(zhí)行的可持續(xù)性、易操作性或環(huán)境友好方面存在一些不足[10～14]。要在Cd污染的稻田生產(chǎn)出Cd含量達標的稻米,主要得依靠篩選和培育低Cd水稻品種。因此,闡明影響水稻Cd吸收、轉運及Cd在器官間運輸分配的遺傳調控因子,可以為低Cd水稻育種提供理論指導。近年來,對水稻Cd積累遺傳調控方面的研究取得了較大進展。本文綜述了影響水稻Cd積累的遺傳因素及籽粒低Cd積累分子育種的相關研究進展。

1 遺傳因素對水稻Cd吸收、轉運和積累的影響

1.1 水稻鎘積累QTL定位及Cd基因克隆

基于穩(wěn)定的低Cd積累和高Cd積累水稻資源,研究者們構建了多個群體,并將數(shù)十個Cd連鎖數(shù)量性狀位點(quantitative trait locus,QTL)定位到12條染色體的特定區(qū)域(表 1)[15～36]。例如,qCdT7/qGCd7作為Cd積累的主要QTL,被定位于7號染色體的短臂上[22～24]。利用與Cd緊密連鎖的QTL,可以進一步精細定位,克隆到Cd基因,也可以開發(fā)出與Cd積累特性關聯(lián)的分子標記,在分子聚合育種中起輔助作用。

表1 水稻Cd積累QTLsTable 1 QTLs for Cd accumulation in rice

到目前為止,已通過QTL定位鑒定出3個Cd相關基因。OsHMA3編碼一種P型ATPase蛋白,定位于所有根細胞的液泡膜。低Cd積累品種中的OsHMA3具有正常功能,它能將Cd螯合到根液泡中,從而減少Cd由根向地上部的轉運,降低Cd在地上部和籽粒中的含量。然而,高Cd積累秈稻品種Anjana Dhan的OsHMA3等位基因突變,導致蛋白功能缺失,不能將Cd螯合到根液泡中,導致高Cd品種根-地轉運率提高[25～26]。CAL1是通過QTL克隆到的第2個Cd基因,編碼一個類防衛(wèi)素蛋白,富含半胱氨酸殘基,能夠把Cd螯合在葉組織中但不轉移到籽粒[27]。OsCd1是主要易化子超家族轉運蛋白,定位在質膜上,調控Cd吸收及籽粒Cd積累[28]。OsCd1中一個具有錯義突變的自然變異(Val449Asp)是導致秈稻和粳稻之間水稻籽粒Cd積累差異的原因之一。

1.2 Cd轉運體基因

利用各種正向和反向遺傳學手段,目前已從水稻中克隆和鑒定出數(shù)十個Cd積累相關基因,其中Cd轉運體基因在Cd吸收和Cd分配中起著關鍵的作用(表2)。

1.2.1 自然抗性相關巨噬細胞蛋白(NRAMP)家族基因

NRAMP是跨膜轉運蛋白家族,參與抗病及多種離子轉運過程。水稻NRAMP基因家族包含7個成員[37],其中3個介導Cd的吸收和轉運。Os-NRAMP5是迄今為止發(fā)現(xiàn)的參與水稻根部Cd吸收最重要的基因,該基因突變阻斷了根部Cd吸收,使得即使在高Cd污染稻田中,osnramp5突變體中的Cd積累量也顯著下降,是低Cd水稻育種的關鍵靶基因[38～42]。OsNRAMP5主要在水稻根中表達,包括根表皮、皮層和維管束近木質部的薄壁細胞,同時在穎殼、葉片和葉鞘等組織也有低表達,暗示OsNRAMP5不僅參與Cd吸收,還參與Cd在水稻組織中的遷移。有趣的是,OsNRAMP5的過表達轉基因水稻也顯著降低了地上部分,包括籽粒的Cd含量,只增加了根中Cd積累量[43]。Os-NRAMP5過表達水稻根尖組織中OsNRAMP5的定位和極性發(fā)生改變,使得更多吸收的Cd被轉運進了根部細胞,而不是通過徑向運輸通路轉運到中柱裝載進木質部,導致根部Cd積累比野生型高,但地上部分的Cd顯著低于野生型[43]。正常情況下，OsNRAMP5介導錳和鐵在水稻體內的吸收、根-莖轉運以及在根和葉中的分布,在維持水稻體內錳、鐵離子的動態(tài)平衡中起著重要作用[38～40,44]。osnramp5強突變體中必需微量元素錳的含量大幅下降,導致農藝性狀(如株高、穗型、結實率和產(chǎn)量)受到顯著影響,但增加根際環(huán)境中的錳離子含量可以部分回復突變對農藝性狀的負效應,或者在不同OsNRAMP5位點進行突變,可以培育出既不影響農藝性狀又能大幅減低Cd吸收的弱突變體材料[41～43,45]。OsNRAMP5過表達對水稻的株高、穗型和產(chǎn)量也有一定的負效應[43]。

除了OsNRAMP5,家族成員OsNRAMP1也可以吸收和轉運Cd和Mn[46～47]。OsNRAMP1主要在根部除中央維管組織外的其他細胞和葉肉細胞的質膜上表達,受Cd處理和缺Fe誘導。OsNRAMP1基因敲除突變體osnramp1的根和地上部分包括籽粒中的Cd和Mn積累顯著降低,與osnramp5突變體的Cd和Mn積累表型相似,但osnramp1突變體降低Cd和Mn的能力要小于osnramp5,且osnramp1 osnramp5雙突變體中Cd和Mn的積累量比單突變體降得更多[47]。不同Cd積累品種間OsNRAMP1蛋白的氨基酸序列無顯著差異,但不同Cd積累品種間OsNRAMP1蛋白的表達水平存在顯著差異。高Cd品種的OsNRAMP1蛋白表達水平顯著高于低Cd品種[46]。OsNRAMP1在擬南芥異源的過表達增加Cd在葉片中的積累,OsNRAMP1還參與As3+的轉運[48]。另外,OsNRAMP1在酵母中顯示有轉運Fe的活性,但在突變體osnramp1中未能觀察到Fe相關表型,暗示OsNRAMP1可能與其他轉運體在水稻Fe吸收和轉運中存在功能冗余[48]。

此外,OsNRAMP2也參與Cd的轉運。Os-NRAMP2定位在液泡膜上,通過介導Cd從液泡到細胞質運輸參與籽粒Cd積累[49]。

OsNRAMP其他成員參與Mn、Fe或Al的運輸,但不運輸Cd。其中,OsNRAMP3介導錳在水稻中的分布,參與錳從老葉運輸?shù)叫氯~的再分配[50～51]。OsNRAMP4/OsNrat1介導根細胞對Al3+的吸收并促進鋁解毒[52～53],還可能介導Cs吸收[54]。OsNRAMP6在酵母中表達具有鐵和錳的轉運活性,但是否在水稻鐵和/或錳/或Cd的吸收或轉運中起作用尚不清楚[55]。

1.2.2 P型重金屬ATP酶(HMA)家族基因

HMA是一種利用ATP水解釋放的能量驅動重金屬離子跨膜轉運的轉運體。水稻HMA基因家族共有9個成員,其中OsHMA3和OsHMA2先后被鑒定為Cd運輸關鍵基因。

OsHMA3(qCdT7)是利用QTL定位克隆到的首個Cd轉運基因,在Cd由根部到地上的轉運調控中起著關鍵的作用,是低Cd水稻育種的重要候選基因[23,25～26]。OsHMA3位于水稻根部細胞液泡膜上,有功能的OsHMA3負責將Cd轉運到根部細胞液泡中貯存,降低Cd通過木質部裝載轉運到地上組織的能力,導致地上組織包括籽粒的Cd含量比較低。粳稻品種一般具有有功能的OsHMA3,籽粒Cd積累量較低。而秈稻由于OsHMA3基因突變導致蛋白質功能失活,不能將吸收的Cd扣留至根部細胞的液泡中,使得Cd從根部轉運到地上部包括籽粒中的活性增強,籽粒Cd積累量較高,這被認為秈稻品種籽粒Cd含量普遍高于粳稻的主要原因之一[23,25～26]。進一步研究發(fā)現(xiàn),該基因自然變異較豐富,可分為8種基因型,其中Ⅰ、Ⅵ、Ⅴ型是具有功能的基因,而Ⅱ、Ⅷ型是功能失活型。Ⅰ型為有功能的基因型,為低Cd品種類型,主要為日本晴等粳稻,但“洞庭晚秈”、PA64S等帶有粳稻血緣的秈稻品種也屬于該類型；Ⅱ型是功能失活型,為高Cd積累粳稻品種類型；Ⅴ型也是有功能的基因型,但卻是高Cd秈稻品種類型,93-11、中優(yōu)早81等屬于這種類型,它們的這種高Cd特性不能用OsHMA3活性的有無來解釋[56～57]。最近,研究人員通過對PA64S雜93-11構建的NIL群體進行QTL定位和圖位克隆分析,發(fā)現(xiàn)OsHMA3啟動子的序列存在變異,尤其是-683 bp到-557 bp之間的7個核苷酸差異,是OsHMA的兩個等位基因GCC793-11和GCC7PA64S的差異表達(分別表達低和高)所必需的。將兩個啟動子互換,則GCC793-11和GCC7PA64S的表達會發(fā)生相反的變化(分別升高和降低),根和地上組織的Cd積累也會發(fā)生相應的變化,表明在Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型等具有功能性OsHMA3的水稻品種中,啟動子遺傳差異對品種間Cd積累多樣性的調控起重要的作用。秈稻中主要是GCC793-11等位基因,粳稻中主要是GCC7PA64S等位基因,GCC7PA64S等可以應用到低Cd秈稻育種[58]。同時,無論秈稻還是粳稻,功能性OsHMA3過表達使得根-莖Cd轉運效率顯著下降,Cd耐受能力顯著增加,地上組織的Cd含量顯著減低,過表達秈稻糙米中的Cd積累量可以降低90%以上,且OsHMA3過表達對水稻株高、產(chǎn)量及稻米品質等農藝性狀無影響[59～60]。OsHMA3是一個功能性的Zn轉運蛋白,但其無論是失活或過表達,對水稻地上部分的Zn穩(wěn)態(tài)似乎影響不大[61]。把水稻OsHMA3轉到小麥過表達,能大幅降低小麥籽粒中的Cd含量,顯示了該基因在作物低Cd籽粒育種中的重要潛力[62]。

OsHMA2是一個質膜定位的鋅離子轉運體基因,在營養(yǎng)生長階段在根部中柱鞘組織組成型表達,介導Cd和Zn從根到地上部的運輸；在生殖生長階段,還在地上部分的維管束,尤其是水稻倒一節(jié)(nodeⅠ)中的大維管束和分散維管束的韌皮部細胞膜上表達。敲除突變體中穗頸節(jié)及穗中的Cd含量顯著降低,表明OsHMA2在穗頸節(jié)部位介導Cd從木質部到韌皮部的轉移,以及通過節(jié)向穗的分配[63～65]。有趣的是,OsHMA2過表達的轉基因水稻和hma2突變體的籽粒中Cd含量都低于野生型[63]。最近,研究人員把OsHMA2啟動子驅動OsHMA3表達,轉基因水稻根中Cd增加,地上部分Cd降低,其中籽粒中Cd含量減少到對照的1/10水平[66]。

1.2.3 參與Cd運輸?shù)钠渌D運體基因

OsLCT1(低親和性陽離子轉運體基因)定位于質膜上,主要在生殖生長成熟期的穗頸節(jié)大維管束周圍和分散的維管束中表達,介導Cd通過韌皮部的外運向籽粒分配。OsLCT1功能缺失株系改變Cd在節(jié)內由韌皮部向籽粒的轉運,籽粒中Cd含量僅為野生型的50%,其他金屬元素含量與野生型無顯著差異,且對水稻生長無影響[67]。除了低親和性陽離子轉運體基因,水稻ZIP基因家族的許多成員也被鑒定介導Cd吸收和轉運,如OsZIP1[68～69]、OsZIP3[68]、OsZIP6[70]、OsZIP7[71]。其中 Os-ZIP1編碼一種金屬解毒轉運蛋白,通過激活其外排轉運活性介導水稻中過量的鋅、銅和Cd積累。OsZIP7編碼一種內向轉運蛋白,在根中木質部的裝載和節(jié)中的維管間轉移中起著不可或缺的作用,優(yōu)先向發(fā)育中的組織和水稻籽粒輸送鋅和Cd。亞鐵離子轉運體基因OsIRT1和OsIRT2也屬于OsZIP基因家族成員,但在系統(tǒng)樹上成單獨的一支,與其他成員的親緣關系較遠。OsIRT1和Os-IRT2也轉運Cd,缺鐵可增強OsIRT1-/OsIRT2介導的Cd吸收和轉運[72]。OsIRT1過表達的水稻對過量的鋅和Cd表現(xiàn)出更高的敏感性[73]。

此外,屬于水稻金屬耐性蛋白基因家族(MTP)的成員OsMTP1/OZT1,賦予植物對鋅和Cd的耐受性。在其RNAi干擾植株中,苗期對重金屬的敏感性提高；在低濃度重金屬脅迫下,成熟期不同器官重金屬積累發(fā)生改變,提示該基因在鋅和Cd的轉運以及維持其內穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[74]。ABC轉運體基因家族成員也參與Cd在細胞中的外向運輸,能夠增強植株對Cd的耐性。OsABCC9定位于根部中柱細胞的液泡膜上,受Cd快速誘導表達。其基因敲除水稻對Cd敏感,根和地上部分包括籽粒中的Cd含量都比對照高[75]。OsABCG36是質膜表達的轉運體基因,在根和地上都有低表達,在根中除了表皮細胞以外的其他細胞中都有分布,其表達受Cd快速誘導表達。其基因敲除水稻對Cd敏感,根中Cd含量比對照高,但地上部分Cd含量不受影響[76]。另外,鈣/陽離子反向轉運體基因OsCCX2也被證明參與水稻Cd的運輸和分配,功能缺失突變體各器官中Cd的分配發(fā)生變化,同時籽粒中Cd含量降低[77]。OsCCX2導致的Cd分配和積累發(fā)生變化的機理還不清楚,其作用機制尚需進一步研究。此外,主要易化子超家族(MFS)基因OsCd1,也參與水稻根系Cd吸收,并參與水稻籽粒Cd積累[28]。

1.3 鎘螯合相關基因

植物螯合素(PCs)是由植物螯合素合成酶(PCS)合成的一類富含巰基、具有較強Cd螯合活性的小肽。PCs與游離巰基處的Cd離子形成螯合物,隨后將結合的Cd隔離在液泡內[78]。PCS催化谷胱甘肽(GSH)非核糖體合成PCs,GSH在Cd螯合和解毒中起重要作用[79]。水稻籽粒中OsPCS1和Os-PCS2特異性表達下調導致籽粒中Cd和As含量顯著降低,表明PCs合成會增強水稻籽粒中Cd和 As的積累[80～81]。PCs合成的前體,如 GSH、谷氨酸或半胱氨酸,在Cd耐受中也起著重要作用。這些前體合酶基因的表達變化也會改變植物的Cd耐受性[82～83]。

最近,一種類防御素基因編碼的蛋白CAL1被證明能改變Cd的螯合作用和Cd向細胞外空間的分泌,從而降低細胞內Cd的濃度,同時增強Cd通過木質部導管的遠距離運輸。CAL1可通過木質部特異調控Cd從根到地上部的轉運,但不能通過韌皮部調控Cd從地上部到籽粒的轉運,從而導致葉片而不是籽粒Cd的積累。以上信息為培育雙功能水稻品種提供了一個潛在的目標,即在修復水稻土的同時生產(chǎn)Cd安全谷物[27]。

1.4 水稻Cd積累的調控基因

盡管有許多關鍵的轉運蛋白負責Cd的吸收和轉運,但關于水稻對Cd轉運活性的調控知之甚少?；虮磉_的轉錄調控是控制Cd轉運活性的有效方法之一,其中轉錄調控因子和microRNAs(miRNAs)等起著重要作用。轉錄調節(jié)因子Os-TITANIA是一種水稻PHD指狀蛋白,通過調控多種金屬轉運蛋白基因的表達發(fā)揮作用。突變株LC5表現(xiàn)出低Cd積累特性[84]。OsHB4參與調節(jié)Cd的積累,OsHB4的過表達增加Cd的敏感性和Cd在葉片和籽粒中的積累。然而,敲除OsHB4可增強Cd耐受性。miR166以OsHB4為靶點,降解OsHB4轉錄物,減輕Cd積累[85]。miR390也參與水稻對Cd的耐受和積累。OsSRK是miR390的靶基因,miR390在Cd處理后表達量上調。過量表達的miR390表現(xiàn)低鎘耐受性和高鎘積累。同時,Os-NRAMP5和OsHMA2表達水平增加,表明miR-390是水稻鎘脅迫耐受性的負調節(jié)因子[86]。

泛素介導的26S蛋白酶體降解是翻譯后調控的重要機制。水稻E3連接酶基因OsHIR1在As和Cd吸收中發(fā)揮作用。E3泛素連接酶OsHIR1通過與OsTIP4；1轉運蛋白相互作用將OsTIP4；1泛素化,后者被26S蛋白酶體系統(tǒng)識別并降解。OsHIR1的過量表達導致植物體內Cd和As的累積顯著減少,表明OsHIR1 E3連接酶正調控Os-TIP4；1,影響 Cd 的攝取[87]。

OsLCD(low-Cd)是水稻維管束組織中優(yōu)勢表達的基因,編碼一種可溶性蛋白,參與水稻對Cd脅迫的耐受性及Cd的轉運和積累,主要表達于根的維管束和葉片韌皮部的伴胞中,定位于細胞質和細胞核。在Cd濃度較低的土壤中,lcd突變體籽粒中Cd含量比野生型降低一半,但其營養(yǎng)器官中Cd含量差異不顯著[88]。OsLCD不具有轉運蛋白和解毒蛋白的特征,推測OsLCD可能通過激活其他Cd轉運體介導Cd的積累；通過酵母雙雜交實驗,研究人員已篩選出與運輸和調控相關的蛋白質,為進一步闡明OsLCD介導的水稻Cd積累機制提供了線索[89]。

2 水稻籽粒低Cd積累的分子育種

2.1 低Cd水稻品種的篩選與鑒定

研究者對具有不同Cd累積性狀的水稻品種進行了有效的基因分型篩選和鑒定[90～92]。許多品種被報道為低Cd或高Cd類型(表3),其中一些表現(xiàn)出Cd超積累特性,如Cho-ko Koku、Akita110、TJTT8等,有應用于污染土壤植物修復的潛力[24,93～96]。高Cd粳稻品種失去OsHMA3(溫帶粳稻)或Os-NRAMP2(熱帶粳稻)基因的功能[49,57],而一些低Cd秈稻品種與OsNRAMP5、OsNRAMP2或OsHMA3基因的功能密切相關[42,45,60]。其中OsNRAMP5對低Cd品種的培育是最關鍵的,通過基因編輯技術敲除OsNRAMP5,突變體Cd污染環(huán)境中的Cd含量大幅減低,遠遠低于國家大米Cd安全水平(0.2 mg/kg)。最近,湖南雜交水稻研究中心的研究人員從國內外大量的水稻資源中,篩選到武漢大學朱英國院士等培育的紅蓮型秈稻不育系珞紅3A和珞紅4A(https://www.ricedata.cn/variety/varis/614203.htm)的Cd積累量特別低(分別為0.01 mg/kg和0.03 mg/kg),其他品種最低為0.16 mg/kg,最高為1.92 mg/kg,平均0.75 mg/kg,說明珞紅3A和珞紅4A是典型的低Cd積累材料。通過基因組測序,研究人員發(fā)現(xiàn)7號染色體上缺失一段包含OsNRAMP5、OsNRAMP1基因的片段(408 Mb,Org),插入一段2 980 bp(Tons)的片段,是自然突變的Cd低吸收品種[97]。另外,有些籽粒低Cd水稻品種還具有莖稈高Cd的特性,如四川農業(yè)大學培育出的恢復系品種“雅恢2816”[97](www.ricedata.cn/variety/varis/618270.htm),以及湖南師范大學陳良碧教授培育的溫敏不育系品種KT27S(https://www.ricedata.cn/variety/varis/615324.htm),但它們的Cd調控機理尚不明了。盡管如此,這類基因型品種有望成為既能生產(chǎn)出Cd安全稻米,又能修復土壤的“兩用”資源材料。

表3 不同Cd積累基因型的品種(株系)Table 3 Varieties/lines of different Cd accumulation genotypes

2.2 低Cd分子標記輔助的水稻低Cd基因聚合育種

隨著水稻Cd吸收和轉運有關的關鍵基因被定位和克隆,OsHMA3、OsNRAMP5、OsNRAMP1、OsNRAMP2等的分子標記也被開發(fā)。OsNRAMP5功能失活等位基因(lcd1、lcd-kmt2、LCH3)被認為可以顯著降低根對Cd的吸收,但如果突變位置發(fā)生在基因3′末端附近,則不會影響錳的吸收和產(chǎn)量[39,41～42,45]。此外,粳稻類型的啟動子驅動功能性的OsHMA3表達,可以將Cd螯合到根液泡中[26,60]。這些發(fā)現(xiàn)顯示了將多個低Cd基因聚合到一個品種中進行低Cd水稻育種的潛力。通過與低Cd品種的雜交和輪回親本的連續(xù)回交,許多輪回親本的籽粒Cd積累性狀得到了較大的改善。對于雜交水稻育種,首先將雄性不育系和恢復系培育為低Cd親本,然后通過雜交獲得低Cd雜交種子。隨著人們對水稻籽粒Cd積累機制的深入了解,利用低Cd基因聚合的方法進行低Cd積累水稻培育研究已經(jīng)進行了初步嘗試,如隆平高科種業(yè)科學研究院的楊遠柱研究員將粳稻的OsHMA3-OsNRAMP5-OsNRAMP1轉育到秈稻93-11,改良93-11籽粒中的Cd積累大幅下降[98]。目前,已有珞紅3A、珞紅4A等超低Cd積累材料,利用輪回親本通過與其的雜交及連續(xù)回交,再利用Tons分子標記篩選轉育成功的輪回親本Tonys,經(jīng)檢測是超低Cd材料,顯示了調控OsNRAMP5活性在低Cd水稻育種的光明前景,有望通過調控這一個Cd吸收基因解決稻米Cd安全問題[99]。另外,在低Cd品種的基礎上,可以把營養(yǎng)品質和產(chǎn)量方面的調控基因聚合在一起,如培育高鋅、高硒的低Cd 品種[100]。

3 結論和展望

Cd暴露會對包括人類在內的有機體造成一系列有害影響。因此,了解水稻對Cd的吸收、轉運和積累機制,對于加強有效地降低Cd的策略具有重要意義。近20年來,隨著一些介導Cd轉運的基因在水稻中的發(fā)現(xiàn),對Cd轉運和影響Cd積累的環(huán)境因子的研究取得了進展,闡明了稻田土壤酸堿度、土壤通氣狀況、根際微生物、環(huán)境中其他離子和化合物等主要環(huán)境因子對水稻Cd積累的影響及其機理,提出了降低水稻籽粒Cd積累的對策。大量田間試驗表明,低Cd水稻品種,結合水稻全生育期的灌溉和較高的pH調節(jié),可顯著降低籽粒Cd的積累。一些根際微生物在緩解水稻Cd吸收和轉運過程中也起著重要作用。此外,施用多種葉面復合肥、生物炭、酸堿改良劑等農藝措施也能有效地減少籽粒Cd的積累。

對于籽粒低Cd品種的選育,近期目標是培育低吸收Cd或不吸收Cd的材料,以便在各種Cd污染稻田中能生產(chǎn)出鎘達標的稻米。利用珞紅4A/3A等超低鎘品種,通過雜交置換培育各種低Cd水稻品種,解決稻米Cd超標的問題,應該在不長的時間里可以達到。遠期目標是培育Cd高吸收、營養(yǎng)體尤其是莖葉高積累Cd,但籽粒低Cd的“兩用”水稻品種,以在生產(chǎn)安全大米的同時,能夠隨著稻草的移除,逐步修復土壤。目前,KT27S、雅恢2816等品種已被鑒定具有莖稈高Cd、籽粒低Cd的特性。類防衛(wèi)素蛋白OsCAL1能夠螯合Cd,并將其外排到胞外,可促進根部Cd通過導管運送到地上,但阻礙了通過韌皮部向籽粒的Cd轉移,是稻草高Cd、籽粒低Cd的基因聚合育種中是重要的遺傳資源[27]。在未來,須進一步從低Cd材料中篩選和鑒定莖稈超高Cd積累水稻資源,并進行遺傳定位和克隆,鑒定既能高效吸收Cd,又能高效控制Cd轉移到籽粒的關鍵基因,為“兩用”低Cd水稻育種提供遺傳資源。

CRISPR/Cas9的基因編輯技術具有簡單、高效、多功能等優(yōu)點,可以對染色體上特定基因進行基因修飾,比利用雜交轉育的方法轉移突變等位基因要簡單快速得多。利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進行低Cd水稻遺傳改良已取得較大進展[41～42],但受轉基因政策的限制尚不能應用。由于可以從基因編輯植株后代中篩選出含有非轉基因元件的株系,很多國家或地區(qū)已經(jīng)把利用CRISPR/Cas9編輯的材料不納入轉基因材料進行管理。隨著技術和管理的進一步成熟與完善,基因編輯技術創(chuàng)制的低Cd水稻品種一定會走向市場應用。