Экономичные методы орошения, включая периодическое орошение, имеют важное значение для устойчивого выращивания риса в условиях растущего дефицита пресной воды. Однако периодический дренаж создает аэробные условия в почве, которые резко повышают биодоступность кадмия (Cd), что приводит к значительному обогащению зерна опасным для здоровья элементом. Выявление взаимосвязи между экономией воды и высоким содержанием кадмия в зерне является важной задачей для селекционеров риса и почвоведов.
Новое исследование китайских ученых под руководством профессоров Шэнь Жэньфана и Чжу Сяофана из Института почвоведения Китайской академии наук раскрыло молекулярный механизм «активного» накопления тяжелых металлов рисом.
Ранее считалось, что чрезмерное поглощение кадмия при прерывистом поливе (популярном водосберегающем режиме) происходит исключительно из-за пассивных химических процессов в почве (когда осушение увеличивает биодоступность кадмия). Новая статья доказывает: растение само активно усиливает всасывание токсичного металла, запуская гормональный стресс-сигнал.
Когда рисовое поле осушают для экономии воды, растение испытывает дефицит влаги и начинает активно вырабатывать стрессовый гормон — абсцизовую кислоту (АБК). Сигнал АБК стимулирует специальный фермент — киназу OsSAPK2. Эта киназа взаимодействует с белком OsNAC4 и фосфорилирует его. Фосфорилирование стабилизирует OsNAC4, делая его устойчивым и позволяя ему прочнее связываться с ДНК. Стабилизированный белок OsNAC4 резко активирует ген OsNRAMP1. Протеин OsNRAMP1 — это основной «насос» на клеточной мембране корня, который и закачивает кадмий из почвы в растение.
Используя скрининг мутантов, полученных с помощью системы редактирования генов CRISPR-Cas9, биохимические анализы и многоместные полевые испытания, исследователи доказали транскрипционный фактор OsNAC4 как ключевой регулятор накопления кадмия в зерне.
Фенотипические анализы на различных генетических фонах подтвердили, что функциональное нокаутирование OsNAC4 снижает концентрацию кадмия в зерне на 30–50% при периодическом орошении, без негативного влияния на урожайность зерна или ключевые агрономические признаки. При этом растение не потеряло в урожайности и продолжило нормально впитывать жизненно важные элементы, такие как железо и марганец.
«Наша работа демонстрирует, что повышенное содержание кадмия в зерне при дренаже не является просто пассивным следствием изменений окислительно-восстановительного состояния почвы; напротив, растения активно усиливают поглощение кадмия посредством эндогенных сигнальных каскадов АБК в ответ на аэробные условия», — сказал Чжу Сяофан, один из ведущих авторов.
Данное исследование предоставляет точную теоретическую основу для отделения сигналов водного стресса от накопления тяжелых металлов, предлагая эффективную цель селекции для разработки климатоустойчивых сортов риса с низким содержанием кадмия, совместимых с условиями ограниченного водоснабжения.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Чжан Наньнань.
На графике: предложенная рабочая модель, иллюстрирующая, как сигнализация АБК связывает водный баланс с накоплением кадмия через модуль OsSAPK2-OsNAC4-OsNRAMP1 в рисе. Авторство: команда Шэнь Жэньфана.