镉（Cd）是一种高毒性的重金属元素，易在水稻中积累并通过食物链进入人体，威胁人类健康。近年来，水稻中与Cd转运相关的基因陆续被克隆及功能解析，这些转运蛋白大多参与必需微量元素（如Fe、Mn、Zn等）的吸收与稳态调控。因此，Cd常与Fe、Mn、Zn等离子在吸收与转运过程中存在竞争或协同关系，离子间的交互作用不仅决定Cd在植物组织的积累水平，也影响微量元素的营养平衡与水稻的生长发育。

近日，JIPB期刊在线发表农学院吴德志教授团队题为“Molecular insights into cadmium transport and micronutrient crosstalk in rice: towards minimizing grain Cd”的综述文章 ( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.70094)。该文章系统总结了近年来水稻中Cd吸收、转运与积累分子机制的研究进展，重点阐述了Cd与Fe、Mn、Zn等必需微量元素在吸收与转运过程中的相互作用机制，并提出了低镉水稻品种培育的分子基础及改良策略。

图1. 水稻根部Cd与必需微量元素吸收和径向转运

Cd首先通过“劫持”微量元素转运蛋白进入植物根细胞内，如主要介导Mn吸收的OsNRAMP5及ZIP家族成员。进入植物根系，Cd一部分被液泡隔离以降低毒性，其中OsHMA3、OsABCC9和OsMTP11等蛋白发挥“安全仓库搬运工”作用；另一方面，Cd通过木质部向地上部运输，OsHMA2和OsZIP7等蛋白参与其木质部装载。随后，Cd在基部茎和茎节处通过微量元素转运相关蛋白进行分配（图1和图2）。

图2. 水稻茎节Cd与微量元素的分配

育种改良方面，系统总结了近年来水稻低镉育种的分子策略，强调了OsNRAMP5在水稻低镉育种中的核心价值。 OsNRAMP5作为Mn吸收的主要转运蛋白，其完全敲除虽可显著降低籽粒Cd含量，但可能引发水稻缺锰及抗逆性降低等潜在问题。开发弱等位基因、调控 OsNRAMP5 启动子以降低翻译效率以及利用OsNRAMP5自然等位变异，这些改良策略有效减少籽粒 Cd 积累，亦能维持植株正常生长所需Mn，显示出良好的育种应用前景。进一步讨论了通过其它转运蛋白重塑Cd在根-茎节-籽粒途径中的流动方向，限制其向籽粒的转运，从而有效降低籽粒中Cd积累，并在一定程度上维持微量元素平衡，为低镉水稻育种提供重要的分子靶点。

最后，文章对未来研究方向进行了展望，强调应重点挖掘新的Cd转运蛋白；基于结构生物学与底物识别机制，优化已知转运蛋白的底物亲和性；同时利用全基因组多样性挖掘天然变异，精细调控基因时空表达；并探索多基因协同调控策略，如整合低Cd吸收和强化液泡隔离，以优化Cd动态分布、维持必需微量元素稳态与产量，为培育高效、安全的低镉水稻提供分子基础。

农学院硕士研究生岳霁桐和张娜为共同第一作者，吴德志教授和高飞副教授为共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新计划和岳麓山实验室的资助。

文章引用：

Yue, J., Zhang, N.,Wu, D., and Gao, F. (2025).Molecular insights into cadmium transport and micronutrient crosstalk in rice:Toward minimizing grain Cd. J. Integr. Plant Biol.00:1-18.