胡培松院士团队创制镉砷同步低积累两系杂交水稻助力稻米安全品质提升

6月19日，我所胡培松院士团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“Production of Grains with Ultra-low Heavy Metal Accumulation by Pyramiding Novel Alleles of OsNramp5 and OsLsi2 in Two-line Hybrid Rice”的研究论文，该研究通过在籼粳遗传背景下系统评价系列镉调控关键基因的降镉能力，并进一步在恢复系和不育系中聚合镉、砷关键调控基因优异等位变异，成功创制了籽粒中镉和砷超低积累的两系杂交水稻，同时保持了相对稳定的产量潜力。该研究为镉砷等重金属复合污染地区生产重金属不超标稻米提供了解决方案。

稻米中镉和砷过量积累对大米消费人群健康构成严重威胁。由于水稻生长环境及土壤镉砷化学特性等因素影响，水稻籽粒中镉和砷含量通常存在负相关性，很难筛选到镉和砷同时低积累的水稻品种。目前关于水稻重金属低积累研究通常针对于单个基因或单个重金属元素展开，在生产应用中仍存在一定的局限性。创制镉砷同步低积累的杂交水稻品种，使其能适宜镉砷等复合污染地区种植并推广，对在保障水稻产量前提下提升稻米品质安全和确保大米消费人群健康具有重要意义。

该研究首先在籼稻中嘉早17（YK17）和粳稻嘉禾212 （JH212）背景下分别评价OsNramp5、LCD和OsLCT1等镉调控关键基因的降镉能力。在4个镉浓度梯度处理下，YK17和JH212背景下OsNramp5相较其他基因均具有更好的降镉能力（籽粒中镉积累更低），进一步获得了两系不育系C815S和YK17背景下降镉效应最优且综合农艺性状优良的低镉不育系C815S^OsNramp5-3和恢复系YK17 ^OsNramp5-1。基于YK17、YK17^OsNramp5-1、C815S 和 C815S^OsNramp5-3等株系，利用水稻砷吸收转运主效基因 OsLsi2，并结合砷处理、籽粒砷含量测定和农艺性状调查等，创制了携带不同OsNramp5 和（或）OsLsi2等位变异的恢复系（YK17^OsNramp5-1、YK17^OsLsi2-3和YK17^{OsNramp5-1 OsLsi2-1}）和不育系（C815S^OsNramp5-3、C815S^OsLsi2-2和 C815S^{OsNramp5-3 OsLsi2-1}）。

利用上述携带OsNramp5 和（或）OsLsi2不同等位变异的恢复系和不育系，配组携带不同等位基因型组合的C两优17系列杂交稻组合CLY17-CK, CLY17^OsNramp5, CLY17^OsLsi2和CLY17^{OsNramp5-OsLsi2}，并对不同两系杂交稻组合籽粒进行重金属元素测定。在大田种植环境下，与相应对照相比，YK17^OsNramp5和CLY17^OsNramp5 品系籽粒中镉含量分别降低了64.6%和 85.2%，YK17^OsLsi2 和CLY17^OsLsi2 籽粒中总砷含量分别降低了48.2%和42.3%，YK17^{OsNramp5 OsLsi2}（Cd 减少72.9%，As减少53.2%）和CLY17^{OsNramp5 OsLsi2}（Cd 减少78.8%，As减少42.9%）籽粒中镉和砷含量均极显著降低。结合稻米常规理化品质测定和综合农艺性状考查，筛选出镉、砷同步超低积累且综合性状表现优良的两系杂交稻品系及最优等位基因型组合。

该研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省重点研发计划、中国农科院创新工程和重大任务等项目的资助。胡时开研究员、博士研究生周亮为论文共同第一作者，胡培松院士为通讯作者，唐绍清研究员和胡时开研究员为共同通讯作者。博士生王晶鑫、Amos Musyoki Mawia、惠索祯和硕士生徐博、杨灵威、方俊超等参与了本研究相关工作。袁隆平农业高科技股份有限公司杨远柱研究员/总裁、湖南隆平高科种业科学研究院王凯副院长、中科院华南植物园张美研究员、天津大学张丽琳教授等对本研究提供了重要帮助。

文章链接：http://doi.org/10.1111/pbi.14414