小麦NRAMP3基因调控籽粒镉积累

镉是一种毒性重金属。小麦低镉积累品种的缺乏及主产区耕地土壤镉污染导致小麦籽粒镉超标形势严峻，对粮食安全和人体健康构成严重威胁。小麦籽粒镉积累受根系的镉吸收、根向地上部的转运及地上部的分配和再分配等多个生理途径调控。金属转运蛋白NRAMP家族成员可能在这些途径中发挥重要作用，但具体功能和机制未知。

四川农业大学小麦研究所王益课题组在植物科学领域著名期刊《Plant, Cell & Environment》在线发表了题为“Wheat NRAMP3 transporters govern grain cadmium concentration”的研究论文，系统揭示了小麦NRAMP3基因调控籽粒镉积累的生物学功能，为小麦籽粒低镉育种提供了基因源和理论基础。

该研究从我国特有的四倍体矮秆波兰小麦（Triticum polonicum L., 2n=4x=28, AABB）中克隆了TpNRAMP3-7A和TpNRAMP3-7B两个同源基因。通过CRISPR/Cas9基因编辑、酵母功能互补、原位杂交、离子流检测及转录组学分析等手段，系统解析了其表达模式、细胞定位、金属转运活性及相关表型。

研究发现，TpNRAMP3-7A和TpNRAMP3-7B基因主要在矮秆波兰小麦的根表皮、内皮层、木质部薄壁细胞及叶鞘、叶片韧皮部等关键组织表达，其编码蛋白具有镉和锰转运功能。离子组学分析发现，在矮秆波兰小麦中敲除TpNRAMP3-7A和/或TpNRAMP3-7B基因，可使籽粒镉含量降低44.8%-53.2%，同时抑制根系镉吸收、根向地上部转运及地上部向籽粒分配过程；TpNRAMP3的基因功能具有剂量非依赖性，单基因与双基因敲除均能达到相近的降镉效果。

研究还发现，TpNRAMP3同时参与锰稳态调控。在田间高锰条件下，敲除该基因虽降低籽粒锰含量，但显著提升了植株锰吸收与向地上部的转运，从而增加穗粒数和单株产量，表明其在维持锰稳态与产量形成中具有双重作用。通过定点突变技术，鉴定出TpNRAMP3蛋白第192位的苯丙氨酸（192F）是决定其镉、锰转运活性的关键氨基酸位点，为分子设计育种提供了重要理论依据。

该研究系统阐明了小麦NRAMP3基因通过调控镉吸收、转运与分配调控籽粒镉积累的机制。这些发现不仅深化了对小麦镉积累生理与遗传基础的理解，也为低镉小麦分子育种提供了关键靶基因。鉴于敲除NRAMP3可显著降低籽粒镉含量而不影响产量，该基因可作为小麦镉污染防控与绿色品种培育的重要遗传资源。

四川农业大学小麦研究所毕业博士生陈兴（现为绵阳市农科院助理研究员）为该论文第一作者，四川农业大学小麦研究所王益教授和西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室程怡然副教授为通讯作者，周永红教授团队为本研究提供了支持。本研究得到了国家自然科学基金、四川省科技计划等项目的资助。

图TpNRAMP3参与镉吸收、转运、分配模式图