JGG|四川农业大学王益团队发现TpNRAMP5调节小麦籽粒镉积累
- 2026-05-15 11:04:38
点击蓝字 关注我们
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。
点击图片｜阅读原文
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。
作者简介
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。
引用本文
Yi-Ran Cheng, Xing Chen, Hong-Zhu Zhou, Jian Ma, Rui Wang, Yong-Jun Dong, Xi Li, Dan Long, Jian Zeng, Xing Fan, Hou-Yang Kang, Dan-Dan Wu, Yong-Hong Zhou, Ke Wang, Yi Wang. (2026). Knockout of TpNRAMP5 reduces grain cadmium concentration in Polish wheat. Journal of Genetics and Genomics.
参考文献
Xing Chen, Xi Li, Hong-Zhu Zhou, Jin-Man Xu, Yue-Ying Yang, Dan Long, Hou-Yang Kang, Jian Zeng, Dan-Dan Wu, Li-Na Sha, Hai-Qin Zhang, Xing Fan, Yong-Hong Zhou, Yi Wang, Yi-Ran Cheng. (2026). Wheat NRAMP3 transporters govern grain cadmium concentration. Plant, Cell & Environment 49, 1992-2007.
第一作者面对面
从左至右：程怡然、陈兴、周虹竹
自我介绍
程怡然，四川自贡人。本科、硕士和博士均毕业于四川农业大学，现为四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室副教授。研究方向为小麦低镉基因挖掘及创新利用。
你的目标或愿景
我的愿景是绘制出一张较为详尽的小麦低镉积累基因调控模式图，服务低镉育种实践。
你如何向你的家人和朋友介绍你论文研究的内容和意义？
我研究的是怎么让粮食更安全。当前，部分耕地存在重金属镉污染，生长其中的小麦可能富集过量镉，长期食用对人体健康不利。我们发现，关闭小麦中的一个特定基因(TpNRAMP5)，可以在不影响收成的前提下，将籽粒镉含量降低近一半。这意味着，受污染的耕地也能产出更安全的口粮，让大家的餐桌多一份保障。
在你的研究领域中，你认为亟待解决的科学问题是什么？
小麦中镉吸收、转运与分配关键基因的功能网络尚不清晰，尤其是多倍体基因组复杂性带来的基因冗余和功能分化问题。因此，我希望系统鉴定小麦中参与镉吸收、转运与分配的关键基因及其协同关系，构建低镉积累的调控网络，为分子设计育种提供理论依据和靶点资源。
在你的研究领域中，你认为最挑战的科学问题是什么？
如何在不影响小麦产量和品质的前提下，精准调控多个基因以实现籽粒镉含量的稳定降低，同时兼顾不同土壤环境和品种背景的适应性。
最想合作的科学家或合作伙伴
我最想合作的科学家是日本冈山大学的马建锋教授。马教授是植物金属转运蛋白研究领域的知名科学家，他在水稻、大麦镉转运蛋白NRAMP5等方面的开创性工作为低镉育种奠定了重要基础。其严谨的基因功能解析思路与高效的转运蛋白验证体系，为我开展小麦镉积累机制研究提供了重要借鉴。我希望能有机会与马教授开展合作，共同为保障谷物安全提供有益参考。
你认为平衡研究工作和生活的诀窍是什么？
把重要的事情安排在精力最充沛的时间段，给科研和生活都留出“不被打扰”的专属时间。效率比时长更重要。
编辑终审 ｜宋秀芬
ABOUT JGG
期刊简介
Journal of Genetics and Genomics
Journal of Genetics and Genomics (JGG) 是由中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国遗传学会主办的国际学术期刊，致力于报道生命科学和医学遗传学领域的原创性研究成果。JGG 2024年度影响因子7.1，Scopus学术期刊评价指标CiteScore 9.9，位列JCR 2024年度GENETICS & HEREDITY领域Q1区(Top 10%)，BIOCHEMISTRY & MOLECULAR BIOLOGY领域Q1区，位列新锐期刊分区生物学大类1区，遗传学小类1区。
▸▸▸▸ 点击官方网站，了解更多内容
专刊征稿
Special Issues ｜ Call for Papers
JGG拟出版“水稻设计育种”“园艺生物学”“大豆生物学”等主题专刊，诚邀您赐稿相关研究论文、数据分析方法和资源类以及综述论文等。
▸▸▸▸ 投稿通道已开启，欢迎投稿！
微信号 /JGG遗传学报
Email / jgg@genetics.ac.cn
