Китайско-японская исследовательская группа вывела новые линии риса с низким содержанием кадмия с помощью технологии редактирования оснований

Репортаж от Wedoany，Доктор Хуан Шэн и профессор Ма Цзяньфэн из Института растениеводства и ресурсоведения Университета Окаямы совместно с командой профессора Ли Цзяяна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук, используя технологию точного редактирования оснований, обнаружили полезную точковую мутацию в гене металлотранспортера риса OsNramp5 и успешно вывели линию риса с содержанием кадмия, сниженным на 48%, без ущерба для усвоения необходимых питательных веществ и урожайности.

Загрязнение кадмием представляет серьезную угрозу для глобальной продовольственной безопасности. Как токсичный и канцерогенный тяжелый металл, кадмий может накапливаться в сельскохозяйственных почвах в результате индустриализации и урбанизации, а затем попадать в пищевую цепочку человека. Рис особенно уязвим, так как поглощает больше кадмия, чем другие основные зерновые культуры, и является основным источником диетического воздействия кадмия для почти половины населения мира. Хотя исследователи долгое время стремились разработать сорта риса с низким содержанием кадмия, существующие методы часто снижают усвоение необходимых питательных веществ или влияют на рост и урожайность культур, ограничивая их практическую применимость.

Исследовательская группа провела насыщающий мутагенез гена OsNramp5, используя адениновые и цитозиновые редакторы оснований для создания более 1600 линий риса с отредактированным геномом. Путем скрининга сотен линий были идентифицированы варианты, обеспечивающие снижение накопления кадмия при сохранении нормального поглощения марганца и продуктивности растений. Исследование показало, что замена изолейцина на треонин в 441-й аминокислоте (OsNramp5I441T) дала наиболее многообещающие результаты. Результаты были опубликованы 18 июня 2026 года в журнале «Труды Национальной академии наук США» (PNAS), том 123.

После идентификации наиболее перспективного мутанта исследователи провели детальный физиологический анализ, исследования экспрессии генов, эксперименты по локализации белков, тесты на транспортировку в дрожжах и полевые испытания на почвах, загрязненных кадмием. Результаты показали, что мутация OsNramp5I441T снижает накопление кадмия в стеблях, листьях и зерне без изменения экспрессии генов, содержания белков, клеточной локализации или урожайности. В полевых экспериментах концентрация кадмия в нешлифованном рисе снизилась на 48% — с 0,14 мг/кг у растений дикого типа до 0,07 мг/кг у отредактированных растений, при этом концентрации необходимых микроэлементов, таких как железо, марганец и цинк, остались неизменными.

Дальнейшие исследования раскрыли механизм действия этого единичного аминокислотного изменения. Известно, что OsNramp5 транспортирует марганец и кадмий, но исследователи обнаружили, что он также транспортирует цинк. Мутация I441T увеличивает предпочтение транспортера к цинку, что приводит к большему накоплению цинка в клетках корня. Этот повышенный цинк затем конкурирует с кадмием при транспортировке от корня к надземной части, уменьшая перемещение кадмия в надземную часть и, в конечном итоге, в зерно. Мутация не полностью блокирует поглощение кадмия, а избирательно ограничивает его транспорт, решая давнюю проблему снижения содержания кадмия в зерне без нарушения снабжения растений необходимыми минералами.

Это исследование предлагает практическое решение для повышения продовольственной безопасности с помощью точной селекции. Существующие стратегии снижения содержания кадмия в рисе, включая мелиорацию почв, регулирование водного режима или полное нокаутирование гена OsNramp5, могут быть дорогостоящими, трудоемкими или влиять на рост растений из-за того, что OsNramp5 одновременно транспортирует необходимый питательный элемент марганец. Изменив всего одну аминокислоту вместо удаления всего гена, исследователи добились значительного снижения уровня кадмия, сохранив при этом нормальный рост растений, урожайность и накопление необходимых микроэлементов. Профессор Ма Цзяньфэн пояснил, что его команда изучает накопление кадмия в рисе уже более 20 лет и идентифицировала несколько ключевых генов. Поскольку OsNramp5 также транспортирует необходимые металлы, целью команды было изменить его металлическую селективность, а не устранить его функцию, что и привело к получению этой точковой мутации.

Исследователи считают, что вновь идентифицированный аллель OsNramp5I441T может ускорить разработку сортов риса с низким содержанием кадмия, пригодных для выращивания на слабозагрязненных почвах, при сохранении продуктивности и питательных качеств. Профессор Ма Цзяньфэн резюмировал: «Эта мутация предлагает эффективную стратегию снижения накопления кадмия в зерне риса без ущерба для урожайности или необходимого минерального питания, открывая многообещающий путь для производства более безопасного риса для потребителей».