控制水稻糙米Cd含量QTL qBCdC-12的基因挖掘及其功能分析

This study aims to screen novel genes related to low Cd content in brown rice of low-Cd rice line Yahui2816 on the basis of QTLs for Cd accumulation-related traits in previous research. Firstly, screen the target genes from the genes in the interval marker 07652-marker 07663(3.05-3.33cM) of QTL qBCdC-12 according to the function annotation and prokaryotic expression. After being cloned, use subcellular localization and qPCR to reveal the dynamic expression of the target genes in different organs at different growth stage. Finally, systematically identify the Cd accumulation-related traits of both over-expressed lines and knockout lines under different Cd polluted soils to make clear the influence and regulatory mechanism of target genes on Cd concentration of brown rice. All above work will help to explore excellent genes and enrich the molecular theory of Cd accumulation in rice grains.

本研究以挖掘控制水稻糙米Cd含量的关键基因为目标，基于Cd低积累亲本雅恢2816的遗传分析及Cd积累相关性状的QTL定位结果，结合qBCdC-12标记区间marker07652-marker07663(3.05-3.33cM)内基因功能注释及相关基因在不同程度Cd胁迫下的原核表达特性，筛选出控制水稻糙米Cd含量的目标基因，获取目标基因片段并克隆，通过亚细胞定位、qPCR技术，摸清目标基因在水稻不同生育期、不同器官中的动态表达特性；分别构建目标基因过表达水稻株系和目标基因敲除株系，并对其在不同Cd污染水平下的相关表型性状进行精细鉴定，明确目标基因对水稻糙米Cd含量的影响及作用机制，最终为发掘优异基因、揭示水稻籽粒Cd积累的分子机理提供依据。

水稻是我国最重要的粮食作物之一，部分地区农田Cd污染导致的“Cd米”危机已严重威胁到人体健康。降低糙米Cd含量、培育可食部位重金属含量安全的作物是解决污染农田安全利用、保障粮食安全的重要策略。基于籽粒Cd低积累水稻材料，尤其是可用于育种的亲本材料，来挖掘新的调控水稻糙米Cd含量的功能基因，将更有助于完善水稻籽粒Cd低积累的理论体系及其育种应用。本研究基于前期对于籽粒Cd低积累水稻材料YaHui2816糙米Cd含量的遗传解析及QTL定位结果，通过标记区间内相关预测基因在Cd胁迫下水稻节点内的表达差异筛选出调控糙米Cd含量的目标基因并完成其克隆，结合亚细胞定位、qPCR分析、酵母异源表达、突变体构建等方式阐明了各目标基因调控糙米Cd含量的机制。研究发现：（1）OsZIP7、OsWNK9、OsCDT5是调控水稻糙米Cd含量的关键基因，其在YaHui2816节点处的转录水平显著响应Cd胁迫，且敲除该基因后苗期茎基Cd含量和成熟期糙米Cd含量显著改变；（2）OsZIP7不参与水稻对Cd的吸收过程，主要负责促进Cd从地下部向地上部、节点向叶片和糙米的转运，增加地上部和糙米Cd含量。OsZIP7-YaHui2816位于内质网，在拔节期、灌浆期各个器官均有表达，在茎节的表达量最高；（3）OsWNK9不参与Cd的吸收过程，主要负责苗期茎基对Cd的滞留、成熟期下部节点和茎节对Cd的滞留，进而降低水稻糙米中Cd含量。同时，其可增加成熟期水稻各器官Fe含量，显著降低Fe从茎节向糙米的转移系数。OsWNK9-YaHui2816位于细胞核，且其在茎节、节点、叶鞘中的表达最为强烈，在叶片几乎没有表达；（4）OsCDT5不参与Cd的吸收过程，敲除OsCDT5后显著增加了苗期水稻生物量，主要负责苗期茎基对Cd的滞留、成熟期节点I和茎节对Cd的滞留，进而降低水稻糙米Cd含量。同时，其可调控叶III和茎节Fe含量，但是对糙米Fe含量无显著影响。OsCDT5-YaHui2816位于细胞质膜，且其在节点、叶、穗中的表达最为强烈。综上，本研究发掘到可有效降低糙米Cd含量的优异基因，为揭示水稻籽粒Cd积累的分子机理和后期分子标记辅助选育籽粒Cd低积累水稻品种提供依据。