摘要
当前农田土壤镉污染的状况十分严峻，而水稻对土壤中的镉有很强的富集能力。作为人类重要的粮食作物，水稻已成为人体中镉积累的的主要来源。创建籽粒镉低积累的水稻品种，对于保障粮食安全具有十分重要的意义。本研究以籼稻品种粤晶丝苗2号(YJSM2)、玉香油占(YXYZ)以及粳稻品种中花11(ZH11)为材料，利用CRISPR/Cas9系统敲除水稻中镉吸收或转运相关的基因OsNramp5、OsLCD，以期创建籽粒低镉突变体，取得的主要结果如下： 1)在OsNramp5基因敲除的突变体中，镉处理水稻的糙米以及根和草杆中的镉浓度均比野生型显著下降。与野生型相比，在0.5μM镉处理下，YJSM2和YXYZ突变体糙米中的镉浓度下降了57~61%、56~62%，在2.0μM镉处理下YJSM2突变体糙米中的镉浓度下降了76~78%。研究还发现，与野生型比较，镉处理下突变体的结实率、根的长度和干重也显著下降，而株高、有效分蘖数及草杆干重无显著改变。另外，与野生型相比，镉处理下突变体的糙米和草杆中Mn的含量也显著下降，而糙米中Fe、Cu和Zn的含量无显著改变；通过提高培养液中Mn的浓度，可以显著改善水稻幼苗因锰缺乏所致的不利影响。 2)在OsLCD基因敲除的突变体中，除了YJSM2，其它品种产生的突变体在镉处理下糙米的镉浓度均比野生型显著增加。与野生型相比，在0.5μM镉处理下，YXYZ和ZH11突变体糙米中的镉浓度分别升高了115~149%、60~64%，而YJSM2突变体糙米中的镉浓度却无显著改变；在2.0μM镉处理下，YXYZ和ZH11突变体糙米中的镉浓度分别升高了66~84%、165~291%，而YJSM突变体糙米中的镉浓度降低了25%。同时还发现，该基因敲除也会导致镉处理水稻的结实率、根的长度和干重比野生型显著降低，而株高、草杆干重及有效分蘖数却不受影响。另外，镉处理下OsLCD基因敲除突变体糙米中Fe、Mn、Cu、Zn的含量与野生型相比无显著改变。 3)在OsNramp5和OsLCD基因双敲除的突变体中，镉处理下糙米的镉浓度比野生型显著下降。与野生型相比，在0.5μM和2.0μM镉处理下，YJSM双敲除突变体的糙米中镉浓度分别下降了71~75%、76%。研究还发现，双敲除突变体的草杆和根中镉浓度也显著下降，同时突变体的结实率、根的长度和干重也显著降低，而株高、草杆干重和有效分蘖数无显著改变。与野生型相比，双敲除突变体的糙米中Mn含量也显著下降，而Fe、Cu、Zn的含量无显著改变。通过提高水培液中的Mn浓度，可使突变体植株在镉处理下的生长得到改善。双敲除突变体与OsNramp5基因单敲除突变体中的糙米镉浓度变化比较表明，水稻籽粒低镉可能主要由根部镉吸收过程决定。 综上所述，本研究利用CRISPR/Cas9系统，成功创建了数个水稻籽粒镉低积累突变体，并发现根部镉吸收可能是控制籽粒镉积累的关键，从而为水稻低镉分子育种打下基础；同时，还创建了镉积累增加的突变体，将来可用于土壤镉污染植物修复。
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