OsZIP10启动子自然变异通过调控锌转运促进水稻籽粒锌积累的分子机制

《Journal of Advanced Research》：Natural variation in OsZIP10 promoter contributes to grain zinc accumulation in rice

本研究针对水稻籽粒锌生物强化这一全球营养安全重大问题，系统阐明了质膜锌转运蛋白OsZIP10通过调控锌的根-冠转运和籽粒分配影响籽粒锌积累的分子机制。研究人员发现F-bZIP转录因子通过结合OsZIP10启动子的B1-like motif自然变异位点（A-to-G）调控其表达，创制的胚乳特异性EnhGt13a启动子驱动OsZIP10的转基因株系籽粒锌含量显著提升。该研究为水稻锌营养改良提供了新靶点和育种策略。

　　

锌是人体必需的微量营养元素，参与体内300多种酶的催化反应、蛋白质合成和能量代谢过程。然而全球约17.3%的人口因膳食锌摄入不足面临健康风险，其中以水稻为主食的发展中国家情况尤为严峻。更令人担忧的是，世界上约50%的谷物生产土壤有效锌含量偏低，这不仅制约作物产量，还导致谷物籽粒锌含量下降，形成"隐性饥饿"的恶性循环。

面对这一全球性挑战，通过生物强化技术培育高锌水稻品种成为最具潜力的解决方案。然而，籽粒锌含量调控的分子机制尚不明确，特别是锌元素从土壤到籽粒的转运分配网络仍有待解析。近期研究表明，锌铁调控转运蛋白家族成员OsZIP10可能参与这一过程，但其在锌稳态调控中的具体功能机制，以及其自然变异对籽粒锌积累的贡献程度，仍有待实验证实。

在这项发表于《Journal of Advanced Research》的研究中，研究人员通过多学科交叉的方法系统解析了OsZIP10在水稻锌稳态调控中的作用机制。研究发现OsZIP10是一个定位于质膜的锌转运蛋白，在旗叶叶鞘、第一节间和发育籽粒的韧皮部高表达，且其表达受锌缺乏显著诱导。通过CRISPR/Cas9技术构建的oszip10敲除株系表现出锌缺乏敏感表型，根中锌积累增加而地上部锌含量降低，表明OsZIP10通过促进锌的根-冠转运参与锌稳态调控。

研究人员采用了转基因技术创制OsZIP10过表达、敲除和回补株系，通过水培和田间试验分析锌积累表型，利用稳定同位素⁶⁷Zn标记示踪技术解析锌转运动力学，采用酵母单杂交、电泳迁移率变动分析和双荧光素酶报告系统验证转录调控机制，并结合1718份水稻种质的基因组变异分析挖掘自然变异位点。

研究首先通过表达模式分析发现，OsZIP10在营养生阶段主要在中鞘表达，而在生殖生长期其表达扩展至第一节间、第二节间、旗叶叶鞘、叶片和发育籽粒。亚细胞定位实验证实OsZIP10定位于质膜。短期⁶⁷Zn标记实验显示，oszip10敲除株系根中⁶⁷Zn积累增加而地上部积累减少，过表达株系则表现出相反的效应，表明OsZIP10特异性地促进锌的根-冠转运。

在生殖生长期，研究人员观察到OsZIP10通过影响锌在各器官间的分配而调控籽粒锌积累。过表达株系籽粒锌含量提高29.24%，且不影响产量和其他必需矿质元素含量。特别值得注意的是，利用胚乳特异性启动子EnhGt13a驱动OsZIP10表达，可使籽粒锌含量进一步提高29.88%，显示出组织特异性表达的优越性。

通过对1718份水稻种质的序列分析，研究人员在OsZIP10启动子区鉴定到一个关键的自然变异位点s21823413（A/G），该位点位于B1-like motif内。携带HapG等位基因的种质OsZIP10表达水平和籽粒锌含量显著高于HapA型。分子实验证实，F-bZIP转录因子OsbZIP48、OsbZIP49和OsbZIP50能够结合该B1-like motif，且对HapG型启动子的结合能力更强，从而解释了两个单倍型间表达差异的分子基础。

研究人员进一步构建了osbzip50突变体，发现其籽粒锌含量降低7.37-7.91%，锌吸收和转运能力显著受损。在osbzip50背景下过表达OsZIP10只能部分恢复籽粒锌含量，表明OsbZIP50还通过调控其他锌稳态基因来影响籽粒锌积累。酵母双杂交实验发现三个F-bZIP转录因子之间存在互作，提示它们可能形成异源二聚体协同调控下游靶基因。

研究还发现，OsZIP10的功能具有锌特异性，过表达不影响镉积累，且对其他金属元素含量无显著影响。在镉污染土壤中，OsZIP10过表达株系甚至表现出籽粒镉含量降低的趋势，这一特性对培育低镉高锌水稻品种具有重要意义。

该研究系统阐明了OsZIP10-F-bZIPs调控模块在水稻锌稳态中的作用机制，揭示了启动子区自然变异影响籽粒锌积累的分子基础。研究发现的B1-like motif作为F-bZIPs的新型结合位点，在禾本科作物锌稳态相关基因启动子中广泛存在，表明这一调控机制在谷物作物中具有保守性。

研究提出的三种育种策略——分子标记辅助选择HapG优良等位基因、启动子编辑创制新等位变异、组织特异性启动子驱动目标基因表达，为水稻锌生物强化提供了切实可行的技术路线。这些发现不仅深化了对植物锌稳态调控网络的认识，也为其他谷物作物的营养品质改良提供了重要参考。

该研究的创新性在于首次将转录因子-转运蛋白调控模块与自然变异联系起来，揭示了作物营养性状驯化的分子基础。研究结果对解决全球隐性饥饿问题、保障粮食安全与营养安全具有重要理论意义和应用价值。