镉作为一种具有强烈毒性的重金属，容易在水稻植株内富集，并借助食物链传递至人体，对公共健康构成潜在威胁。近些年来，科研人员陆续鉴定并解析了多个参与镉转运的水稻基因，研究发现这些转运蛋白往往同时也承担着铁、锰、锌等必需微量元素的吸收与平衡调节功能。正因如此，镉与这些营养元素在植物体内的吸收和运输过程中常常呈现出竞争或协同的复杂关系，这种离子间的相互作用既影响着镉在植物各组织中的累积程度，也关系到微量元素的营养均衡以及水稻本身的生长发育状况。
近期，Journal of Integrative Plant Biology 在线刊发了由湖南农业大学/岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队完成的综述论文，该研究以"Molecular insights into cadmium transport and micronutrient crosstalk in rice: towards minimizing grain Cd"为题，系统梳理了水稻镉吸收、转运及积累分子机制领域的最新进展。文章着重分析了镉与铁、锰、锌等必需微量元素在运输过程中的交互作用机理，同时就低镉水稻品种的分子育种基础与改良途径提出了建设性观点。
从镉在植物体内的移动路径来看，它首先通过"借用"微量元素转运蛋白的方式进入根部细胞，其中OsNRAMP5以及ZIP家族成员是主要通道，前者原本主要负责锰的吸收。镉进入根系后，一部分会被转运至液泡中储存以降低其毒性效应，这一过程由OsHMA3、OsABCC9和OsMTP11等蛋白承担，它们如同"安全仓库的管理员"；另一部分则通过木质部向上运输至地上部分，OsHMA2和OsZIP7等蛋白参与了这一木质部装载环节。此后，镉在基部茎秆和茎节位置借助与微量元素转运相关的蛋白进行再分配。
在育种实践层面，该综述对水稻低镉育种的分子策略进行了全面归纳，特别突出了OsNRAMP5基因在低镉品种选育中的关键地位。作为锰吸收的主要载体，OsNRAMP5若被完全敲除虽然能够大幅降低籽粒中的镉含量，但也可能导致植株缺锰以及抗逆能力下降等副作用。相比之下，开发弱功能等位基因、通过调控启动子区域降低其转录活性，或利用该基因的自然等位变异等策略，既能有效减少籽粒镉积累，又能保障植株正常生长所需的锰供应，展现出更为可观的育种应用价值。
此外，研究还探讨了通过改造其他转运蛋白来重塑镉在根、茎节与籽粒之间的流动路径，限制其向籽粒的转运，从而在降低籽粒镉含量的同时尽可能维持微量元素平衡，这为低镉水稻育种提供了重要的分子靶点。
面向未来，文章指出研究重点应放在发掘新型镉转运蛋白上，同时基于结构生物学和底物识别机制来优化已知转运蛋白的底物选择性。利用全基因组多样性分析挖掘天然变异、精细调控基因的时空表达模式，以及探索多基因协同调控方案，例如将低镉吸收与强化液泡隔离相结合，都有助于优化镉在植株内的动态分布，在维持必需微量元素稳态的同时保障产量，最终为培育高效且安全的低镉水稻品种奠定坚实的分子基础。
该研究的共同第一作者为湖南农业大学与岳麓山实验室水稻抗逆遗传改良团队的硕士研究生岳霁桐和张娜，吴德志教授和高飞副教授担任共同通讯作者。
