OsFH2的过表达通过协同促进根系对镉的吸收和抗氧化防御机制的激活，增强了水稻对镉的耐受性，并减少了稻谷中镉的积累

《Journal of Hazardous Materials》：Overexpression of OsFH2 enhances cadmium tolerance and reduces grain cadmium accumulation in rice through synergistic root sequestration and antioxidant defense activation

水稻镉耐受调控机制及OsFH2基因功能研究显示该基因通过增强根系细胞壁镉固定、激活抗氧化系统及调控金属转运ers，实现降低籽粒镉积累（34-48%）并提高产量（12-15%）。

　　

Xinxin Xu|Shuchang Zhang|Qingxian Mo|Zebin Cai|Yao Cao|Ying Luo|Hongjie Chen|Fangbai Li|Jicai Yi

华南农业大学生命科学学院，中国广州510642

摘要

土壤中的镉（Cd）污染对农业生产力和食品安全构成了严重威胁。尽管转运基因在镉管理方面已被广泛研究，但对其的改造往往会影响必需矿物质的稳态。本研究发现水稻中的formin样基因OsFH2是一种新的镉响应调节因子，能够协调调控镉的耐受性和积累。OsFH2主要在根部和穗部表达，并且在镉胁迫下其转录迅速增强。OsFH2蛋白定位于细胞质、细胞核和质膜中。在一种对镉敏感的酵母菌株中，异源表达OsFH2可提高镉耐受性并减少细胞内镉的积累。在水稻中，过表达OsFH2显著提高了镉胁迫耐受性和幼苗活力。这种改善与抗氧化酶活性的增强以及活性氧（ROS）和脂质过氧化水平的降低（通过丙二醛含量测定）有关。重要的是，OsFH2的过表达增强了根细胞壁对镉的固定能力，使根部的镉保留量增加了41.2%，同时减少了向地上部分的镉转移量。田间试验表明，与野生型相比，过表达OsFH2的品系使籽粒中的镉积累减少了34%-48%，产量增加了12%-15%，同时保持了锰、锌和铜的正常水平。RNA测序显示OsFH2调控了一个涉及细胞壁重塑、苯丙素生物合成和抗氧化防御的转录程序。我们提出了一种模型，即OsFH2作为肌动蛋白细胞骨架的关键调节因子，充当了一个分子开关，协调了一个多层次的适应网络。该网络同时增强了细胞壁的物理固定能力，强化了抗氧化系统，并调节了金属转运蛋白，从而促进了选择性的镉排除和优先分配锌。我们的发现表明OsFH2是一个有前景的遗传靶点，可用于培育抗镉且高产的水稻品种。

引言

农业土壤中的镉（Cd）污染主要由工业和农业活动引起，对全球粮食安全和人类健康构成了严重威胁[40]、[47]。作为世界上超过一半人口的主食，水稻（Oryza sativa L.）能有效地从稻田土壤中吸收镉并将其积累在可食用籽粒中，成为这种有毒金属的主要膳食来源[7]、[20]。长期摄入镉与严重的健康问题相关，包括肾功能障碍、骨质疏松症和多种癌症[26]、[46]。在植物中，镉通过破坏营养素稳态、干扰代谢过程以及通过过量产生活性氧（ROS）引发氧化应激，最终导致生长抑制和产量下降[13]、[32]、[38]。因此，培育出低籽粒镉积累且高植物耐受性的水稻品种对于确保食品安全和可持续农业至关重要[41]。

关于水稻中镉积累的分子机制已经进行了广泛研究，其中重点关注了编码锌、铁和锰等二价阳离子转运蛋白的关键基因。由于化学性质相似，Cd²⁺利用这些转运途径进行吸收和转运[19]。主要的转运蛋白包括根质膜转运蛋白OsNramp5、OsNramp1、OsIRT1和OsCd1[39]、[49]，用于木质部加载的OsHMA2[48]，以及用于韧皮部向籽粒分配的OsLCT1和OsCCX2[12]、[44]。除了转运蛋白外，非转运蛋白也参与调控镉的分布。例如，类似防御素的CAL1蛋白促进镉的螯合和木质部加载，增加地上部分的镉含量但不增加籽粒中的镉含量[27]，而DEF8则促进韧皮部的卸载以增加籽粒中的镉积累[10]。相反，硫蛋白OsThi9将镉固定在胞外液中，减少了毒性和籽粒中的镉积累[23]。此外，通过转运蛋白OsHMA3、OsMTP1和OsABCC9在液泡中的固定对于镉的解毒也至关重要[29]、[31]、[50]。然而，对这些转运蛋白的改造往往会扰乱必需营养素的稳态，这对它们的育种应用是一个重大挑战[58]。这突显了寻找新的、多效的调节因子的必要性，这些调节因子能够在不损害植物健康或营养质量的情况下调控镉的分布和耐受性。

内在的耐受机制对于植物在镉污染土壤中的生存同样关键。这些机制包括细胞壁，它通过果胶和纤维素基质中的功能基团固定镉[52]、[53]；抗氧化系统，通过超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶等酶以及抗坏血酸和谷胱甘肽等非酶类抗氧化剂清除镉诱导的ROS[6]、[30]；以及含硫化合物如金属硫蛋白和植物螯合素，它们可以螯合镉以进行解毒[3]、[4]。此外，细胞骨架——一个动态的肌动蛋白微丝网络——在整合生物和非生物胁迫反应中起着关键作用[21]、[28]。Formins是肌动蛋白成核和细胞骨架动态的关键调节因子，影响多种过程，包括细胞生长、形态发生和信号转导[22]、[55]。在水稻中，formin家族成员在发育过程中发挥作用[2]、[51]，并且它们在非生物胁迫反应（如干旱、盐度）中的参与也已被注意到[1]、[8]。在非植物系统中，重金属也可以诱导formins的表达[36]。然而，它们在植物重金属耐受性中的具体功能，特别是在水稻等主要作物中的镉解毒和积累中的作用仍需进一步研究。

在初步的转录组分析中，我们发现了一个受镉诱导的基因OsFH2（Os04g0461800），它编码一种formin同源物。我们假设OsFH2作为一种细胞骨架调节因子，在协调水稻的镉耐受性和积累中起着关键且尚未被描述的作用。本研究旨在对OsFH2进行功能表征并阐明其背后的机制。我们的结果表明，OsFH2的过表达通过增强肌动蛋白细胞骨架、促进根细胞壁固定和激活抗氧化防御系统，提高了镉耐受性并减少了籽粒中的镉积累。我们提出OsFH2是一种多效调节因子，为培育耐镉且低镉含量的水稻品种提供了有价值的遗传资源。

实验材料、生长条件和镉处理

Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare（NIP）的种子经过表面消毒，在37°C下浸泡24小时后，在黑暗中于30°C下发芽。均匀发芽的种子被转移到铺有湿润滤纸的篮子中培养3-5天。随后在生长室中水培，最初使用半浓度的Kimura B营养液培养7天，然后使用全浓度营养液培养23天（每个2.5升容器20株幼苗）。在分蘖期（约60天）...

OsFH2是一种受镉诱导的formin蛋白，定位于细胞质、细胞核和质膜

测序分析证实，Nipponbare（NIP）中的OsFH2的基因组和转录序列与参考序列（NCBI访问号：Os04g0461800）一致。OsFH2位于第4号染色体上，包含四个外显子和三个内含子，编码一个2502个碱基对的编码序列（CDS）（图1A）。推断出的蛋白质——类似formin的蛋白质2——由833个氨基酸组成（图1B）。结构域分析显示存在一个跨膜螺旋（130–158个氨基酸）和两个formin同源结构域，FH1（340–438个氨基酸）和FH2（439–820个氨基酸）（

讨论

镉（Cd）是一种非必需的重金属，对植物和人类都构成重大风险[41]。它通过受污染的土壤进入食物链，威胁人类健康并影响作物生长[46]。因此，培育低镉含量的水稻品种是一种有前景的缓解策略。主要目标是在不降低产量或营养质量的情况下将籽粒中的镉含量降至安全阈值以下，提供一种可持续的方法来限制膳食中的镉暴露[3]、[4]。

环境影响

农业土壤中的镉（Cd）污染对食品安全和人类健康构成了严重威胁。本研究证明，水稻中的formin基因OsFH2通过增强根部的镉固定和限制其向可食用组织的转移来减少籽粒中的镉积累。田间验证证实，OsFH2的过表达在保持产量的同时显著降低了受污染土壤中种植的籽粒中的镉浓度。OsFH2因此提供了一个有前景的遗传靶点，可用于育种

作者贡献

Xinxin Xu和Shuchang Zhang进行了实验，收集和分析了数据，解释了结果，并起草和修订了手稿。Qingxian Mo、Zebin Cai、Yao Cao、Ying Luo和Hongjie Chen进行了植物生长实验、载体构建以及镉浓度和生理指标的测量。Jicai Yi参与了实验设计和概念化、数据分析和解释，以及手稿的撰写和修订。Fangbai Li也做出了贡献

CRediT作者贡献声明

Yao Cao：监督、研究。Zebin Cai：研究、正式分析、概念化。Qingxian Mo：项目管理、方法学、研究、正式分析。Shuchang Zhang：初稿撰写、研究、正式分析、数据管理、概念化。Jicai Yi：审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Fangbai Li：审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Jicai Yi报告获得了国家自然科学基金的支持。Jicai Yi报告获得了广东省基础与应用基础研究基金的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响实验结果的财务利益或个人关系

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：41877143）和广东省基础与应用基础研究基金（资助编号：2025A1515010989）的支持。