Снижение накопления токсичного кадмия в рисе с помощью генетики

Рис — основной продукт питания почти для половины населения мира. Однако он накапливает из почвы больше кадмия, чем другие злаки, такие как ячмень и пшеница. По оценкам, 40–65% от общего потребления кадмия, токсичного тяжелого металла, приходится на рис. Употребление загрязненного кадмием риса представляет серьезный риск для здоровья человека, вызывая такие состояния, как болезнь итай-итай.

Ранее предпринимались попытки снизить содержание кадмия в рисе с помощью таких методов, как завоз чистой почвы, управление водным режимом и смешивание загрязненной почвы с биоуглем и известью. Однако эти методы требуют много времени и средств. В качестве решения ученые обратились к селекции для выведения сортов риса, накапливающих меньше кадмия.

«Мы давно работаем над механизмами накопления кадмия в рисе и ячмене и определили несколько ключевых генов, участвующих в этом процессе», — говорит профессор Цзянь Фэн Ма из Института наук о растениях и ресурсов Университета Окаямы (Япония). Недавно он опубликовал статью в журнале Nature Food, подробно описывающую генетические механизмы, играющие роль в этом процессе.

Изучив 132 образца риса, профессор Ма и его исследовательская группа обнаружили, что тандемная дупликация гена OsNramp5 снижает накопление кадмия в сорте Pokkali, который культивируется в Керале (Индия) уже 3000 лет. Согласно предыдущим исследованиям, ген OsNramp5 кодирует белок-транспортер кадмия и марганца в рисе. При тандемной дупликации этот ген усиливает поглощение обоих минералов клетками корня. В результате марганец конкурирует с кадмием в клетках за транспорт к побегам, что снижает накопление кадмия в этих частях растения.

Ученые выяснили, что из 132 изученных образцов тандемная дупликация OsNramp5 естественным образом встречается только у Pokkali, который может расти на засоленных прибрежных почвах.

Исследователи также отметили, что уровень пространственной экспрессии OsNramp5 в корнях Pokkali всегда примерно в два раза выше, чем в корнях сорта Koshihikari.

Поскольку Pokkali накапливает крайне мало кадмия в побегах, ученые провели интрогрессию (перенос генетической информации между видами) дуплицированного гена OsNramp5 в сорт Koshihikari — очень популярный в Японии, но накапливающий относительно высокие уровни кадмия. Объясняя пользу целевой селекции, профессор Ма говорит: «Мы определили ген, ответственный за разное накопление кадмия в зерне риса, на основе естественной вариативности этого признака. Затем мы применили этот ген для успешной селекции сортов риса с низким накоплением кадмия в зерне».

Команда обнаружила, что сорт Koshihikari с дуплицированным геном накапливал значительно меньше кадмия, без ущерба для качества зерна или урожайности.

Перечисляя преимущества сорта риса с низким накоплением кадмия, профессор Ма поясняет: «Кадмий — токсичный тяжелый металл, угрожающий нашему здоровью через пищевую цепь. Наше исследование предоставило полезный материал для селекции сортов риса с низким накоплением кадмия, что способствует производству безопасных и полезных продуктов. Мы надеемся, что этот ген будет широко использоваться в селекции различных сортов риса с низким накоплением кадмия. Это защитит нас от отравления кадмием».