控制稻米镉积累关键基因的自然变异研究

In China, the widespread Cd-polluted rice exceeding the national standard is due to the Cd-pollution in paddy fields, as well as the rice genome that contains gene controlling high-Cd accumulation. Developing cultivars with low Cd accumulation is an economic and effective way to protect rice from Cd pollution. At present, several crucial genes have been identified to determine Cd accumulation in grains through controlling the Cd absorption, transportation and distribution in rice. And these crucial genes have abundant natural variations among the cultivars with clear sequence. However, the genetic controls of these natural variations on Cd accumulation in grains are still not clear, which caused the breeders could not carry out the molecular design breeding to low Cd breeding. Thus, our research will focus on these crucial genes on natural variations and the functional differences of the alleles on the Cd accumulation in rice by candidate association analysis. Then functional alleles would be verified by the genetic populations and the yeast mutant assays. Based on the results, with the functional genetic marker, the genotypes of these crucial genes would be identified in the main cultivars. The success of this project could reveal the genetic basis of natural variations and help to identify the excellent alleles of the crucial genes. And it could make it clear and definite that the genotypes of these crucial genes in the main cultivars. The achievements in this project could also provide theoretical supports and gene resources for improving Cd accumulation in rice breeding.

我国广泛存在的稻米镉（Cd）超标既与土壤Cd污染有关，又受水稻基因型影响。在彻底治理土壤Cd污染之前，培育和种植高产低Cd水稻品种是治理稻米Cd超标的有效方法。科学家已鉴定了一系列控制水稻Cd吸收、转运和分配，并最终影响稻米Cd积累的基因，这些基因在基因组序列已知的品种间也存在着丰富的自然变异。但是，这些自然变异对稻米Cd积累的影响还不清楚，育种家还不能用来开展低Cd分子设计育种。本项目将以控制稻米Cd积累的关键基因为研究对象，首先通过候选基因关联分析方法解析这些基因在自然群体中的等位变异及其功能差异，然后利用已有的遗传群体和酵母突变体进行等位基因的功能验证。在此基础上，开发功能性分子标记，鉴定主栽品种中这些基因的遗传分布。预期成果将揭示稻米Cd积累关键基因的自然变异规律，挖掘各个关键基因的优异等位基因，同时明确主栽品种待改良的基因型，为低Cd水稻分子设计育种提供理论支持和优异基因资源。

本项目利用候选基因关联分析的方法，对6个稻米Cd积累关键基因进行了自然变异研究。结合133份资源品种的群体结构及其在不同Cd污染大田中籽粒内Cd积累含量，发现OsHMA3的在编码区的序列差异与稻米Cd积累表现显著相关。617份籼稻杂交稻的稻米Cd积累的遗传分析同样验证了这一结果。OsHMA3的单倍型分析表明，该基因的2个主要的等位基因表现为明显的籼-粳分化特征。酵母表达试验、水稻遗传互补转化试验及之后的基因功能分析发现：籼稻等位基因是OsHMA3的一个功能相对于粳稻等位基因较弱的等位基因，其在水稻液泡内截留Cd的能力比粳稻等位基因弱，最终导致其在籼稻品种的籽粒中积累更多的Cd。OsHMA3的籼-粳分化分析发现，两个主要等位基因的序列差异在野生稻内就已经产生，而且伴随着水稻亚群分化，它们之间的籼-粳分化程度逐渐得到了加强。我们分析了OsHMA3所在的基因组模式和群体结构，发现它位于第7染色体上亚群分化较强的一个长约2.98-Mb的区段。参与籼-粳亚群分化的重要产量基因Ghd7也位于在这一区段中。它们之间的等位基因组合分析发现，Ghd7的弱功能等位或无功能等位往往和OsHMA3的粳稻等位基因连锁，主要分布在我国北方等粳稻主栽地区，而Ghd7的强功能等位则往往和OsHMA3的籼稻等位基因相连锁，主要分布在我国南方等籼稻主栽地区。综合本项目的研究结果，我们认为OsHMA3的籼-粳等位基因的差异源于野生稻，在水稻亚群的进一步分化过程中，由于Ghd7和OsHMA3之间的“遗传搭车”造成了OsHMA3等位基因间籼-粳分化的增强，形成籼稻品种和粳稻品种含有不同功能的等位基因，成了它们之间稻米Cd积累的差异。在实际育种中，我们利用所开发的基因内标记Caps7，选育了一批低Cd积累的籼稻水稻品种和籼稻杂交稻品种。本项目的研究加深了对水稻亚群之间稻米Cd积累差异的遗传机制的理解，并且本项目所得到的理论、发现的优异等位基因和获得的育种材料将有利于进行稻米低Cd积累品种的选育。