玉米籽粒鎘含量調控基因的克隆和應用獲進展

　　土壤鎘污染是一個嚴重的全球性問題，歐美、日本等國家的耕地都存在不同程度的鎘污染，中國約有17%的耕地存在鎘污染。鎘為重金屬，其生物半衰期長，可通過食物鏈在人體富集，容易造成人體多器官損傷、誘發癌癥。選育鎘低積累玉米對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鍵基因尚未克隆。

　　近期，北京市農林科學院玉米中心趙久然團隊與湖南省農業科學院合作在國際知名學術期刊Journal of Experimental Botany（5-year IF =7.01，Q1）上發表題為“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聯分析以及京724（低鎘系）× Mo17（高鎘系） F2 分離群體的BSR-seq定位技術，共同鑒定到一個控制玉米籽粒鎘積累的主效QTL。其候選基因ZmHMA3編碼一個位于液泡膜的P型ATPase重金屬轉運蛋白。EMS突變體等位測驗證實ZmHMA3為玉米籽粒鎘積累的關鍵調控基因。在高鎘自交系Mo17中，ZmHMA3基因的第一個內含子存在一個反轉錄轉座子插入，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

　　根據不同玉米自交系中ZmHMA3基因的序列變異位點，開發4個PCR分子標記，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）。本研究所開發的分子標記已成功用于預測生產中應用廣泛的玉米骨干自交系和優良雜交種的玉米籽粒鎘含量水平。如本單位選育的優良骨干自交系京2416和京92、以及優良雜交種京農科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測

　　湖南省農業科學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基金（620041）、北京市農林科學院青年基金（QNJJ202028）、國家重點研究計劃（2016YFD0300109）、北京市農林科學院協同創新中心建設（作物表型組學協同創新項目，KJCX201917）和北京學者計劃（BSP041）等項目的資助。