土壤鎘污染是一個(gè)嚴(yán)重的全球性問題，歐美、日本等國(guó)家的耕地都存在不同程度的鎘污染，中國(guó)約有17%的耕地存在鎘污染。鎘為重金屬，其生物半衰期長(zhǎng)，可通過食物鏈在人體富集，容易造成人體多器官損傷、誘發(fā)癌癥。選育鎘低積累玉米對(duì)玉米的安全利用具有重要意義。然而，控制玉米籽粒鎘積累的關(guān)鍵基因尚未克隆。

 

　　近期，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米中心趙久然團(tuán)隊(duì)與湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Experimental Botany（5-year IF =7.01，Q1）上發(fā)表題為“Natural variations in the P-type ATPase heavy metal transporter ZmHMA3 controlling cadmium accumulation in maize grains”的研究論文。該研究利用全基因組關(guān)聯(lián)分析以及京724（低鎘系）× Mo17（高鎘系） F2 分離群體的BSR-seq定位技術(shù)，共同鑒定到一個(gè)控制玉米籽粒鎘積累的主效QTL。其候選基因ZmHMA3編碼一個(gè)位于液泡膜的P型ATPase重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。EMS突變體等位測(cè)驗(yàn)證實(shí)ZmHMA3為玉米籽粒鎘積累的關(guān)鍵調(diào)控基因。在高鎘自交系Mo17中，ZmHMA3基因的第一個(gè)內(nèi)含子存在一個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子插入，造成ZmHMA3基因氨基酸序列異常和Mo17玉米籽粒鎘高積累。

 

　　圖1 玉米籽粒鎘積累量GWAS分析

 

　　根據(jù)不同玉米自交系中ZmHMA3基因的序列變異位點(diǎn)，開發(fā)4個(gè)PCR分子標(biāo)記，將自然群體中玉米材料劃分為5種單倍型，其中3種單倍型玉米的籽粒鎘含量高（>0.1mg/kg）。本研究所開發(fā)的分子標(biāo)記已成功用于預(yù)測(cè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的玉米骨干自交系和優(yōu)良雜交種的玉米籽粒鎘含量水平。如本單位選育的優(yōu)良骨干自交系京2416和京92、以及優(yōu)良雜交種京農(nóng)科728和京科968等為籽粒鎘低積累玉米。

 

　　圖2. ZmHMA3基因的5種單倍型及玉米籽粒鎘積累水平預(yù)測(cè)

 

　　湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院助理研究員湯彬博士和我院玉米中心助理研究員駱美潔博士為該論文共同第一作者。玉米中心趙久然研究員和趙衍鑫副研究員為共同通訊作者。該研究得到了北京市自然科學(xué)基金（620041）、北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金（QNJJ202028）、國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃（2016YFD0300109）、北京市農(nóng)林科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)（作物表型組學(xué)協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目，KJCX201917）和北京學(xué)者計(jì)劃（BSP041）等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erab254/6291825