控制稻米镉积累的基因发掘和鉴定

We have collected a set of germplasm consisted of 533 accessions of cultivated rice O. sativa L. selected to represent both the genetic diversity in the cultivated species and the usefulness in rice improvement. Genomic DNA was sequenced on the Illumina HiSeq 2000 in the form of 90-bp paired-end reads to generate high quality sequences of more than one gigabase per accession (>2.5× per genome). From these sequences data, 6,551,358 high quality SNPs were identified. In this project we will analysis the Cd uptake, translocation and accumulation in grain in different rice germplasm grown in different Cd contaminated soil, and perform genome-wide association study (GWAS) to identify candidate genes for controlling the Cd uptake and accumulation. Then we will select 2-3 candidate genes for functional test by genetic transformation in rice. Also, we will analysis the different gene haplotype of OsNRAMP5, a gene plays crucial roles in Cd uptake and translocation, select haplotype with the lowest Cd accumulation to develop molecular marks and using molecular mark assisted selection to produce new rice materials for rice breeding towards low Cd accumulation.

我们前期的研究工作中收集了具有丰富遗传多样性的水稻种质资源材料533份，进行了全基因组测序，每份材料均获得了大于1Gb的序列，覆盖水稻基因组2.5倍以上。利用这些序列我们鉴定了6,551,358个SNP位点。武汉大田种植这些种质材料，发现在镉的吸收、转运和籽粒镉积累方面存在非常大的变异。本项目拟在镉轻度污染和中度污染的土壤环境下全面分析这些材料中镉的吸收、转运以及稻米中镉的积累情况，利用全基因组关联分析的方法鉴定控制镉吸收、转运和积累的新基因。结合本实验室的全基因组表达谱信息，筛选2-3个候选基因进行遗传转化，验证其功能。同时分析OsNRAMP5（一个在前期工作中已经鉴定的镉吸收转运的重要基因）不同的基因型和镉吸收、积累功能上的关系，筛选镉极端低吸收的单倍型， 发展分子标记，利用分子标记辅助选择的方法将控制镉吸收、积累的优良等位基因导入到水稻主栽品种中去，创制低镉积累的水稻新材料。

水稻是全世界最重要的粮食作物之一，提高水稻产量和稻米品质是科研工作者们一直奋斗的目标。然而，随着工业的发展和环保措施不到位导致我国部分地区农田土壤Cd污染较为严重。南方部分地区稻米Cd含量严重超标，危害农产品安全和人体健康。在本研究中，我们将533份核心种质材料种植在湖南镉中度污染的大田，分析这些材料成熟期秸秆和籽粒中镉的积累情况，利用全基因组关联分析的方法鉴定了2个控制镉吸收、转运和积累的新基因，zyy10（OsATX1）和zyy47。. 通过对携带OsATX1Pro: GUS/GFP（OsATX1启动子融合GUS（β-葡萄糖苷酸酶）和GFP（绿色荧光蛋白））的转基因水稻的分析，我们发现OsATX1主要在根部的外皮层和木质部细胞以及叶片维管组织中表达。水稻原生质体和烟草叶片表皮细胞的瞬时表达实验结果表明，OsATX1-GFP定位于细胞质，细胞核和细胞质膜，也可能依附于细胞内膜系统。超量表达OsATX1增加了地上部和木质部伤流液中的Cd积累，而osatx1突变体植株增加了根中的Cd浓度。在生殖生长阶段，超量表达OsATX1增加了地上部各个组织器官的Cd积累，表明OsATX1也可能参与水稻中Cd离子的转运。另外，在酵母（酿酒酵母）镉敏感突变体Δycf1中，异源表达OsATX1和zyy47均能够降低酵母细胞中Cd的浓度，从而提高了酵母对Cd的耐受性。. 同时，我们还分析了OsNRAMP5的不同基因型，发现OsNRAMP5在自然进化中非常保守并受到了很强的纯化选择。OsNRAMP5不同单倍型并不影响镉的吸收和转运。. 我们的研究不仅为水稻镉积累的分子机理提供新的认识，还为培育低镉水稻提供了有用的基因位点和遗传素材。