《Environmental Pollution》：Screening for Low-Methylmercury Rice Cultivars and Transcriptomic Insight into Underlying Accumulation Mechanisms
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甲基汞污染水稻中低积累品种筛选及分子机制研究，通过田间试验发现西南地区常见水稻品种间甲基汞积累差异显著，XGZ品种 polished rice 中甲基汞含量最低（11.89 μg kg-1），而 L891 品种最高（41.85 μg kg-1）。转录组分析表明 OsABCG36 等转运基因及谷胱甘肽代谢相关基因在汞积累中起关键作用。
杨雪青|易曼|涂文宇|田伟军|杨月琴|王建旭|冯新斌
中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵阳550082
摘要
水稻（Oryza sativa L.）中的甲基汞（MeHg）污染对全球消费者的健康构成了重大风险。种植低甲基汞含量的水稻品种是减少稻田中甲基汞风险的一种实用且有效的策略。然而，关于不同品种在甲基汞积累方面的机制差异了解仍然有限。在这里，我们在一个受汞污染的稻田中进行了一项田间试验，以评估中国西南地区常见60个水稻品种的甲基汞吸收能力。此外，我们选择了高甲基汞含量和低甲基汞含量的水稻品种进行比较转录组分析，以揭示控制水稻甲基汞积累的分子机制。结果表明，所研究的品种之间存在明显的甲基汞积累模式差异。其中，Oryza sativa L. cv. Xiangliangyouguifuzhan（XGZ）的精米中甲基汞浓度最低（11.89 μg kg-1），而Oryza sativa L. cv. Leyou 891（L891）的甲基汞浓度显著较高（41.85 μg kg-1）。L891与XGZ之间的比较转录组分析显示，与半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、谷胱甘肽代谢以及转运蛋白活性相关的基因可能在甲基汞积累中起作用。具体来说，谷胱甘肽S-转移酶（如GSTU1）和转运蛋白活性相关基因（如OsABCG36）在L891中受到甲基汞暴露后过度表达，而在XGZ中则没有，这表明它们可能在品种特异性的甲基汞积累中发挥作用。我们的发现有助于理解不同品种在甲基汞积累方面的分子基础，并将有助于通过种植低甲基汞含量的水稻品种来管理受汞污染稻田中的甲基汞风险。
引言
汞（Hg）是一种有毒元素，可以转化为甲基汞（MeHg），后者能够在食物网中生物累积和生物放大。通过食物摄入接触甲基汞对人类健康构成不可接受的威胁。已有文献记载，长期接触甲基汞会降低儿童的智商并导致成人心血管损伤（Clarkson等人，2003年；Grandjean等人，1997年；Henry等人，2011年）。自然来源和人为来源都会向环境中释放汞，其中人为来源每年释放约2,220吨（UNEP，2019年）。在稻田中，汞在厌氧条件下容易被微生物转化为甲基汞，并随后在水稻植物中积累，导致谷物中的甲基汞浓度升高（Man等人，2024年；Meng等人，2011年）。最近的研究表明，在南亚和东南亚受汞污染地区，食用水稻是人类接触甲基汞的主要途径（Feng等人，2008年；Horvat等人，2003年；Rothenberg等人，2014年）。这种甲基汞暴露风险甚至通过国际水稻贸易扩展到了非洲、中亚和欧洲（Liu等人，2019年）。因此，通过以水稻为基础的饮食接触甲基汞已成为一个全球性的环境健康问题。
一种减轻稻田中甲基汞风险的新兴策略是种植低甲基汞积累能力的水稻品种（Peng等人，2011年）。已经有许多努力致力于筛选这类低甲基汞含量的水稻品种（Rothenberg等人，2012年）。然而，以往的研究仅考察了有限数量的水稻品种，并且对甲基汞积累的分子差异提供了不足的机制解释。水稻中甲基汞的积累机制很复杂，受基因型、栽培实践和环境因素的影响。虽然栽培和环境因素的影响已经得到记录（Peng等人，2011年；Rothenberg等人，2012年；Tang等人，2019年），但不同品种在甲基汞积累方面的分子基础仍不甚清楚。特别是，水稻对甲基汞胁迫的转录组响应尚不明确。
高通量测序技术能够全面、全转录组地表征和量化生物体内的RNA。此外，比较转录组分析可以揭示参与植物（如水稻、白菜、Phytolacca americana和芜菁）中重金属积累的关键基因（Li等人，2021年；Wang等人，2023年；Yu等人，2017年；Zhao等人，2021年）。例如，一项先前的研究利用转录组分析比较了高镉含量和低镉含量的白菜品种之间的基因表达，发现高镉含量的品种比低镉含量的品种表现出更高的质膜定位和液泡膜定位转运蛋白基因的表达水平（Yu等人，2017年）。然而，通过比较转录组分析阐明的水稻植物对甲基汞的分子响应仍不甚清楚。
在这项研究中，我们收集了中国西南地区广泛种植的60个水稻品种，并在一个有历史采矿遗留汞污染的地区进行了田间试验，以评估它们在谷物中的甲基汞积累情况。然后使用比较转录组分析来比较选定的高积累和低积累品种的分子响应。这项工作有助于通过种植低甲基汞含量的水稻品种来减轻受污染稻田中的甲基汞风险，并加深了我们对不同品种在甲基汞积累方面分子基础的理解。
田间试验
本研究选择了中国西南地区常见的60个水稻品种。样本包括3个籼型常规水稻品种、53个籼型杂交水稻品种和4个粳型常规水稻品种（表S1）。试验在一个位于中国贵州省丹寨金汞矿区汞尾矿附近的受汞污染的稻田中进行。该地区的汞污染历史悠久，记录到的甲基汞浓度很高（> 60 μg kg-1）
研究土壤的物理-化学性质
研究土壤的总氮（TN）和总碳（TC）浓度分别为0.25% ± 0.01%和3.04% ± 0.27%（n = 3），pH值为6.90 ± 0.22（n = 3）（表S2）。所有小区土壤中的平均总汞浓度为72.00 ± 10.21 mg kg-1（n = 180）（图S1），这比中国政府规定的农业土壤环境质量标准（4.0 mg kg-1）（GB15618-2018）高出18倍。土壤中的甲基汞浓度为3.34 ±水稻品种积累甲基汞能力的差异
水稻从土壤中吸收甲基汞的能力受到水稻品种本身和土壤中甲基汞生物可利用性的影响。前者取决于水稻的遗传基础，而后者受根系分泌物、土壤性质和农艺实践等因素的影响（Peng等人，2011年；Rothenberg等人，2012年；Ullrich等人，2001年）。所研究的水稻品种中精米中的甲基汞浓度范围很广（11.89至71.71 μg kg-1），表明存在显著差异结论与未来展望
所研究的水稻品种在积累甲基汞的能力上存在差异。O. sativa L. cv. XGZ和O. sativa L. cv. L891分别被归类为低甲基汞含量和高甲基汞含量的品种。与L891相关的基因包括参与半胱氨酸和甲硫氨酸代谢以及谷胱甘肽代谢的基因，以及转运蛋白相关基因（如OsABCG36、OsIRT2、OsCOPT1和SWEET6）。未来需要进行功能研究（例如基因敲除或过表达）作者贡献声明
涂文宇：方法学、调查。田伟军：可视化。杨雪青：写作——初稿、可视化、调查、数据管理。易曼：写作——审阅与编辑、方法学。王建旭：写作——审阅与编辑、资金获取。冯新斌：资源、概念构思。杨月琴：调查未引用参考文献
Grant等人，2008年；Iso10694，1995年。数据可用性
数据可应要求提供。利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢
我们感谢国家自然科学基金（项目编号：42222305）、贵州省重大科技计划（[2025]002）和贵州省科技项目（项目编号：Qiankehe Zhicheng (2026) yiban 336）的财政支持。
