重金属镉是我国耕地的主要污染物，水稻作为我国主要粮食作物，是镉进入食物链和人体的主要途径。因此，调控水稻中的镉迁移对于减少镉大米危害具有重要的意义。龚继明研究组前期利用水稻离子组学和数量遗传学手段克隆到了一个防御素类编码基因CAL1，该基因通过外分泌方式将细胞质中的镉转运到质外体中（Nature Communications, 2018）。防御素通常介导对病原真菌的先天免疫，相关研究发现CAL1确实具有典型的病原菌抗性能力，那么CAL1调控的镉分配机制中是否涉及到与微生物的互作？

2023年12月29日，Molecular Plant在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心龚继明研究组题为“An endophytic fungus interacts with the defensin-like protein OsCAL1 to regulate cadmium allocation in rice”的研究论文。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.12.022

该研究通过比较微生物组学分析，对比检测了镉污染大田中cal1突变体与原位过表达株系的木质部伤流液微生物组成份变化，分离得到了一个内生尖孢镰刀真菌Fo10。Fo10对防御素蛋白CAL1敏感，但能够耐受极高的镉浓度，接种Fo10显著降低了镉对水稻的毒害作用（图1）。

图1 Fo10缓解镉对水稻的毒害依赖于OsCAL1

水稻体内Fo10的共生和CAL1蛋白含量表现出一个相互的动态调节过程，从而精准调节包括镉吸收、液泡区隔、向根际外排和根表铁膜形成等诸多离子分配过程，协同降低胞质中的镉含量，而且这些过程都通过植物激素水杨酸（SA）信号通路来协同（图2）。有意思的是，Fo10的作用并不在于刺激SA的合成，相反降低了镉诱导的SA水平并将其保持在一定的浓度水平，推测是通过保持一个合适的SA浓度从而在信号通路活化与SA毒性之间找到一个最佳平衡，从而更好实现降镉及减少对植物本身的伤害。不仅如此，Fo10还丢失了多个重要的致病基因，不再具有致病性，且对多个单子叶农作物都具有显著的降镉效应。

图2 内生真菌Fo10调节胞内多生物学过程降低胞质镉浓度的模式图

相关研究结果加深了对内生真菌和寄主植物相互作用降镉机制的认识，开发了一种新的独立于遗传编辑的水稻降镉新手段，为水稻重金属调控提供另外一种高效环保的途径。

龚继明研究组已毕业博士生顾天宇（现就职于湖南科技大学）和在读博士生齐子艾为共同第一作者，龚继明研究员为通讯作者。课题组已毕业博士生陈思颖（现就职于湖南科技大学），在读博士生王娅婷、已毕业硕士生闫晶、浙江省农科院王俊敏副研究员等参与了本研究。该项工作得到了国家自然科学基金和中国科学院先导项目的支持。

通讯作者简介

龚继明研究员，国家杰青、万人计划领军人才，分子植物科学卓越创新中心副主任，主要从离子长途转运的角度解析植物营养调控及植物修复的分子机理，相关研究成果发表在Nature Biotech, Nature Communications, Molecular Plant, Plant Cell, PNAS等期刊上。

转自：“iPlants”微信公众号

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