TpNRAMP5调节小麦籽粒镉积累

镉是毒性最强的重金属之一，长期摄入会损害人体肾脏和骨骼功能，甚至增加患癌风险。抽样调查显示，我国约25.8%的小麦籽粒镉含量超标，严重威胁食品安全与公众健康。小麦籽粒镉积累属于多基因控制的数量性状，在生理途径上，主要取决于根系的镉吸收、根系向地上部的镉转运以及地上部的镉分配。然而，目前调控这些途径的关键基因知之甚少，制约了低镉小麦品种的遗传改良。

2026年5月4日，Journal of Genetics and Genomics在线发表四川农业大学王益教授团队为“Knockout of TpNRAMP5 reduces grain cadmium concentration in Polish wheat”的研究论文。该研究发现敲除TpNRAMP5基因能够显著降低波兰小麦籽粒镉含量，为低镉小麦育种提供了重要基因资源和分子工具。

研究团队此前在四倍体种质资源矮秆波兰小麦中鉴定到一个镉积累相关基因TpNRAMP3，敲除该基因可使籽粒镉含量降低约50% (Chen et al., 2026)。研究发现，在大田条件下施用铜肥可将Tpnramp3敲除株系的籽粒镉含量恢复至野生型水平，这一现象受到另一个关键基因TpNRAMP5的调控。TpNRAMP5编码一个定位于根表皮和内皮层的金属转运蛋白。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除TpNRAMP5后，籽粒镉含量降低41.7%–44.5%，且植株生长、产量等农艺性状均未受到影响。进一步研究发现，敲除TpNRAMP5能够显著降低根系的镉吸收，但根系向地上部的镉转运以及地上部向籽粒的镉分配均未受到影响，说明TpNRAMP5主要通过调控根系镉吸收来调节籽粒镉含量。与此同时，TpNRAMP5的敲除也改变了镉在叶片与叶鞘的分配模式，使其更多滞留在叶片组织中。此外，TpNRAMP5还参与调控锰的吸收，但对铁、铜、锌等其他金属元素的吸收和积累无显著影响，表现出较好的底物特异性。与水稻OsNRAMP5的功能不同，敲除TpNRAMP5不影响小麦的生长与产量，这使其成为理想的低镉小麦遗传改良靶点。

TpNRAMP5调控波兰小麦籽粒镉积累

A：大田条件下，施用铜肥将Tpnramp3敲除株系的籽粒镉含量恢复至野生型水平；B：镉处理下，添加铜可诱导TpNRAMP5等基因的上调表达；C：在两个生长季中，26个普通小麦品种根部的TaNRAMP5表达水平与籽粒镉含量均呈显著正相关；D：Tpnramp5编辑事件导致其在酵母体系中丧失镉转运活性；E–I：敲除TpNRAMP5降低籽粒镉含量及整株镉吸收，但未影响根系向地上部的转运，同时改变了地上部叶片与叶鞘中的镉分配模式；J：TpNRAMP5主要在根表皮和内皮层中表达。

综上所述，该研究不仅揭示了TpNRAMP5在小麦镉积累中的关键作用，还提供了一种安全、高效的低镉小麦育种策略。由于敲除该基因对产量无负面影响，该策略可直接应用于小麦育种实践，为在镉污染耕地上生产安全、优质的小麦提供了可行方案。

四川农业大学程怡然副教授、已毕业博士生陈兴（现为绵阳市农业科学研究院助理研究员）、在读硕士生周虹竹为该论文共同第一作者。四川农业大学王益教授与中国农业科学院王轲研究员为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、四川省自然科学基金等项目资助。