Wykorzystując genetykę, aby utrzymać kadm z dala od ryżu.
Duplikacja genu transportera zmniejsza akumulację toksycznego kadmu w ryżu bez szkody dla jakości lub wydajności, według naukowców.
Ryż jest podstawowym pożywieniem prawie połowy światowej populacji. Jednak w porównaniu do innych zbóż, takich jak jęczmień i pszenica, pochłania więcej kadmu z gleby. Według doniesień ryż stanowi 40-65% naszego całkowitego spożycia toksycznego kadmu w postaci metalu ciężkiego. Osoby spożywające ryż skażony kadmem stoją w obliczu znacznego zagrożenia dla ich zdrowia, ponieważ nadmierne spożycie kadmu wiąże się z takimi stanami jak choroba Itai-itai.
Podjęto wcześniejsze wysiłki w celu obniżenia zawartości kadmu w ryżu poprzez import czystej gleby, zarządzanie wodą i łączenie zanieczyszczonej gleby z biowęglem i wapnem. Jednak te techniki zajmują dużo czasu i pieniędzy. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zastosowali krzyżowanie ras do uprawy ryżu, który gromadzi mniej kadmu.
W Pokkali, z powodu zduplikowanego OsNramp5, korzenie pobierają więcej Mn i Cd do komórek korzenia w porównaniu z innymi odmianami ryżu (na przykład Koshihikari). Większość Cd pobranej przez OsNramp5 jest sekwestrowana do wakuoli przez OsHMA3, podczas gdy większość Mn jest translokowana do pędów przez OsMTP9. Wyższe stężenie Mn w komórkach korzenia konkuruje z Cd o niezidentyfikowany transporter wypływu, co skutkuje zmniejszonym ładunkiem Cd do ksylemu, a następnie do pędów i ziaren. Kropkowana strzałka pokazuje zmniejszone obciążenie Cd przez wysoki Mn. Kolory cyjan i fioletowy oznaczają odpowiednio Mn i Cd. Źródło:Jian Feng Ma, Uniwersytet Okayama
„Od dłuższego czasu pracujemy nad mechanizmami akumulacji kadmu w ryżu i jęczmieniu i zidentyfikowaliśmy kilka kluczowych genów zaangażowanych w jego akumulację” – mówi profesor Jian Feng Ma, który jest związany z Institute of Plant Sciences and Resources w Okayama. Uniwersytet, Japonia. Niedawno profesor Ma opublikował artykuł w czasopiśmie Nature Food wyszczególnienie mechanizmów genetycznych, które odgrywają rolę w tym procesie.
Profesor Ma i członkowie jego zespołu badawczego zbadali 132 gatunki ryżu i odkryli, że gen OsNramp5, po duplikacji w tandemie, zmniejsza akumulację kadmu w Pokkali, rodzaju ryżu uprawianego od trzech tysięcy lat w Kerali w Indiach. Według wcześniejszych badań OsNramp5 koduje białko transportujące kadm i mangan w ryżu. Kiedy ten sam gen jest duplikowany w tandemie, zwiększa wchłanianie obu minerałów do komórek korzenia. W rezultacie mangan i kadm konkurują w komórkach o translokację do pędów, co z kolei hamuje gromadzenie się kadmu w tych regionach.
Naukowcy odkryli, że tandemowa duplikacja OsNramp5 jest naturalnie obecna tylko w jednym ze 132 obszarów ryżu, Pokkali, który może rosnąć w słonej przybrzeżnej glebie.
Naukowcy odkryli również, że poziom ekspresji przestrzennej OsNramp5 był konsekwentnie około dwa razy większy w korzeniach Pokkali niż w Koshihikari.
Ponieważ Pokkali przechowuje bardzo mało kadmu w swoich pędach, naukowcy wprowadzili (termin określający transfer informacji genetycznej między gatunkami) zduplikowany gen OsNramp5 w Koshihikari, odmianie ryżu, która jest bardzo popularna w Japonii, ale gromadzi stosunkowo wysoki poziom kadmu. Wyjaśniając, w jaki sposób ukierunkowana hodowla może pomóc ludziom, profesor Ma mówi:„Zidentyfikowaliśmy gen odpowiedzialny za zróżnicowaną akumulację kadmu w ziarnie ryżu w oparciu o naturalne różnice w akumulacji kadmu. Następnie zastosowaliśmy ten gen, aby z powodzeniem hodować odmiany ryżu o niskiej akumulacji kadmu w ziarnie”.
Zespół odkrył, że odmiana Koshihikari ze zduplikowanym genem akumulowała znacznie mniejsze ilości kadmu bez wpływu na jakość ziarna lub plon.
Opisując zalety odmiany ryżu o niskiej zawartości kadmu, profesor Ma wyjaśnia:„Kadm jest toksycznym metalem ciężkim i zagraża naszemu zdrowiu poprzez łańcuch pokarmowy. Nasze badania dostarczyły przydatnego materiału do hodowli odmian ryżu o niskiej akumulacji kadmu, co przyczynia się do produkcji bezpiecznej i zdrowej żywności. Mamy nadzieję, że gen ten znajdzie szerokie zastosowanie w hodowli różnych odmian ryżu o niskiej akumulacji kadmu. To ochroni nas przed zatruciem kadmem”.
Odniesienie:„Duplikacja genu transportera manganu/kadmu zmniejsza akumulację kadmu w ziarnie ryżu” autorstwa En Yu, Wenguang Wang, Naoki Yamaji, Shuichi Fukuoka, Jing Che, Daisei Ueno, Tsuyu Ando, Fenglin Deng, Kiyosumi Hori, Masahiro Yano, Ren Fang Shen i Jian Feng Ma, 18 sierpnia 2022, Nature Food .
DOI:10.1038/s43016-022-00569-w
Badanie zostało sfinansowane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.
