有毒镉（Cd）污染土壤是一种全球面临的严重健康威胁。
镉在高等生物中没有已知的功能，被认为是有毒的。它优先被人体肾脏吸收，引起细胞氧化应激反应，增加癌症、心血管疾病和骨质疏松症的风险。一种假设认为镉是一种内分泌干扰物，有实验表明它可以与不同的激素信号通路相互作用，例如与雌激素受体 α 结合，在低剂量下影响沿雌激素和 MAPK 信号通路的信号转导。
镉污染源主要为化石燃料燃烧、磷肥、钢铁生产、水泥生产、有色金属生产和城市固体废物焚烧，也是电池、颜料、涂料、电镀的常见成分。人类摄入镉的主要形式为吸入细粉尘和烟雾，或摄入高溶性镉化合物，最常见的途径便是通过吸烟或饮食。
一战到二战期间，镉通过采矿作业大量释放，日本神州河被污染，水生植物、鱼类、水稻作物受到影响。食用被污染的大米导致当地人患上 itai-itai 病——脊柱和关节疼痛，这便是“痛了几十年”的日本富山县大规模镉中毒事件。
大米是世界近一半人口的主食，与大麦和小麦等其他谷物相比，它从土壤中积累的镉更多。先前研究指出，人类 40-65% 的镉摄入量来自大米。
为治理水稻镉污染，过去人们采用进口清洁土壤、水管理以及将受污染的土壤与生物炭和石灰混合等方法。但是这些方法耗时而昂贵。
为了解决这一难题，科学家们将目光转向了遗传学。近日，来自日本和中国的一组研究人员在水稻中发现了一种基因 OsNramp5，该基因的复制可以减少镉积累，且不会影响谷物质量或产量。研究成果以“Duplication of a manganese/cadmium transporter gene reduces cadmium accumulation in rice grain”一文发表在 Nature Food。
“长期以来，我们一直在研究水稻和大麦中的镉积累机制，并确定了参与其积累的几个关键基因。”该文通讯作者日本冈山大学植物科学与资源研究所 Jian Feng Ma 教授说。在这项研究中，科学家发现编码锰/镉转运蛋白的 OsNramp5 的串联复制是导致水稻品质 Pokkali 中低镉积累的原因。
Pokkali 是印度喀拉拉邦种植了 3000 年的一个古老的水稻品种，可以在含盐的沿海土壤中生长。它是在该研究所检查的 132 种种质中，唯一一个表现出该基因重复的品质。
这种重复使 OsNramp5 基因的表达增加了一倍，但没有改变其空间表达模式和细胞定位。由于 OsNramp5 的表达较高，根细胞吸收了更多的镉和锰，但降低了镉向木质部的释放；由于锰与镉竞争易位到芽中，因此植物芽包括籽粒中的镉较少。
接下来，研究人员将复制的 OsNramp5 基因引入越光（Koshihikari）水稻。越光是日本种植最丰富的水稻品种之一，其口感香糯、柔软且味道上佳。但易积累相对高水平的镉。通过回交将 OsNramp5 等位基因渗透到越光后，在镉严重污染的土壤中种植，结果显示籽粒的镉含量显著减少，并且产量与质量不受影响。
本研究不仅揭示了低镉积累背后的分子机制，也为低镉积累水稻品种的育种提供了有益的靶点。研究人员希望通过有针对性的育种和其他方法，培育更健康的水稻品种。
“镉是一种有毒的重金属，通过食物链威胁人类健康。”Jian Feng Ma 说，“我们的研究为培育镉积累量低的水稻品种提供了有用的材料，有助于生产安全健康的食品。希望该基因能广泛应用于水稻育种。”
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