玉米籽粒镉含量调控基因的克隆和应用获进展

　　土壤镉污染是一个严重的全球性问题，欧美、日本等国家的耕地都存在不同程度的镉污染，中国约有17%的耕地存在镉污染。镉为重金属，其生物半衰期长，可通过食物链在人体富集，容易造成人体多器官损伤、诱发癌症。选育镉低积累玉米对玉米的安全利用具有重要意义。然而，控制玉米籽粒镉积累的关键基因尚未克隆。

　　近期，北京市农林科学院玉米中心赵久然团队与湖南省农业科学院合作在国际知名学术期刊Journal of Experimental Botany（5-year IF =7.01，Q1）上发表题为“Natural variations in the P-type ATPase heavy metal transporter ZmHMA3 controlling cadmium accumulation in maize grains”的研究论文。该研究利用全基因组关联分析以及京724（低镉系）× Mo17（高镉系） F2 分离群体的BSR-seq定位技术，共同鉴定到一个控制玉米籽粒镉积累的主效QTL。其候选基因ZmHMA3编码一个位于液泡膜的P型ATPase重金属转运蛋白。EMS突变体等位测验证实ZmHMA3为玉米籽粒镉积累的关键调控基因。在高镉自交系Mo17中，ZmHMA3基因的第一个内含子存在一个反转录转座子插入，造成ZmHMA3基因氨基酸序列异常和Mo17玉米籽粒镉高积累。

　　图1 玉米籽粒镉积累量GWAS分析

　　根据不同玉米自交系中ZmHMA3基因的序列变异位点，开发4个PCR分子标记，将自然群体中玉米材料划分为5种单倍型，其中3种单倍型玉米的籽粒镉含量高（>0.1mg/kg）。本研究所开发的分子标记已成功用于预测生产中应用广泛的玉米骨干自交系和优良杂交种的玉米籽粒镉含量水平。如本单位选育的优良骨干自交系京2416和京92、以及优良杂交种京农科728和京科968等为籽粒镉低积累玉米。

　　图2. ZmHMA3基因的5种单倍型及玉米籽粒镉积累水平预测

　　湖南省农业科学院助理研究员汤彬博士和我院玉米中心助理研究员骆美洁博士为该论文共同第一作者。玉米中心赵久然研究员和赵衍鑫副研究员为共同通讯作者。该研究得到了北京市自然科学基金（620041）、北京市农林科学院青年基金（QNJJ202028）、国家重点研究计划（2016YFD0300109）、北京市农林科学院协同创新中心建设（作物表型组学协同创新项目，KJCX201917）和北京学者计划（BSP041）等项目的资助。