鎘（Cd）大米嚴重危害人體健康，已經成為廣泛關注的社會問題。解析水稻Cd吸收、轉運與積累的分子調控機制，可為培育低Cd水稻提供理論基礎與遺傳資源。

近日，浙江大學武亮團隊在PLOS Biology和Cell Reports分別發表了題為miR408-5p and miR408-3p cooperatively reduce cadmium uptake and accumulation in rice和Pectin methylesterases regulated by WRKY76 mediate cadmium accumulation and tolerance via demethylesterifying pectin in rice 的研究論文，從細胞內信號調控與細胞壁結構修飾兩個層面，揭示了水稻調控Cd吸收的兩種不同作用機制。

植物miRNA前體通常僅產生一個成熟miRNA，而水稻中的MIR408可同時產生miR408-5p和miR408-3p兩個成熟miRNA。武亮團隊前期研究已揭示miR408-5p能夠通過轉變對靶基因IAA30的調控方式參與生長素信號轉導（Rong et al., 2024）。而在最新發表于PLOS Biology的研究中，團隊進一步揭示了miR408-5p和miR408-3p這對“雙生子”在Cd脅迫下的協同作戰策略。

研究團隊鑒定到miR408-5p的一個新靶標基因HIPP19，其編碼重金屬結合蛋白，特異表達于根外皮層和內皮層。HIPP19能直接結合Cd2+并促進Cd進入細胞。miR408-5p通過抑制HIPP19的蛋白翻譯，降低其蛋白積累，從而在源頭上阻斷Cd的結合與吸收。

與此同時，“雙生子”的另一成員miR408-3p通過切割靶標基因UCL7的mRNA，抑制UCL7蛋白積累。UCL7屬于銅離子（Cu2+）結合蛋白，其蛋白水平下降可導致胞質中游離Cu2+濃度升高，從而提高超氧化物歧化酶（SOD）的活性，引起過氧化氫（H?O?）大量積累。活性氧信號可進一步抑制根系對Cd的吸收。

在Cd脅迫條件下，miR408-5p與miR408-3p均被大量誘導，“雙生子”調控途徑同時激活，分別從阻斷離子結合與啟動信號防御兩個層面協同抑制Cd吸收（圖1）。令人興奮的是，MIR408過量表達在降低水稻籽粒Cd含量的同時，不影響水稻鐵、錳、銅、鋅等必需元素的含量，且株高、千粒重等主要農藝性狀也未見明顯改變，這意味著它有望成為“控鎘與穩產”兼得的分子育種靶點。

圖1 MIR408產生兩個成熟miRNA調控Cd吸收的作用機制模式圖

浙江大學已出站博士后戎福喜（現崖州灣國家實驗室青年科學家）為第一作者、武亮教授為通訊作者。張雅琦、倪方銳、張藍天、于明鑫、洪哲源、Muhammad Fahad、沈雨欣、劉傳佳、田生科教授和吳德志教授等參與了此工作。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等項目的資助。

與miR408介導的細胞內調控機制不同，Cell Reports論文揭示了植物抵御Cd的細胞壁屏障機制。

植物細胞壁中的果膠富含羧基，能通過靜電作用吸附Cd2?等金屬離子。果膠甲酯酶（PME）通過催化果膠去甲酯化，調控羧基位點的暴露程度，從而決定其金屬結合能力。武亮團隊發現轉錄因子WRKY76通過抑制PME11的轉錄，參與水稻Cd積累和Cd耐受過程調控。敲除PME11的水稻根組織果膠去甲酯化水平下降，細胞壁結合Cd能力減弱，根Cd含量減少，Cd耐受性增強。有意思的是，研究發現WRKY76不僅直接調控PME11，而且可以直接結合在17個PME家族基因的啟動子上，占水稻PME家族成員總數的40%，從而調控多個PME基因的轉錄，暗示WRKY76可以作為關鍵調控因子參與細胞壁果膠修飾的全局調控。這些研究結果表明WRKY76-PMEs模塊在水稻Cd積累與耐受調控過程中發揮著重要作用。

圖2 WRKY76-PMEs調控模塊通過細胞壁果膠修飾參與水稻Cd積累的工作模式圖

浙江大學海南專項博士生張藍天為論文第一作者，武亮教授為通訊作者。譚景艾、巫欣燁、沈雨欣等參與了該研究。相關工作受到海南省自然科學基金、崖州灣科技城海南專項博士生科研創新基金等項目的資助。

武亮團隊的兩項研究分別從細胞內miRNA信號調控與細胞壁結構修飾兩個層面，系統揭示了水稻抵御Cd吸收的分子機制。miR408“雙生子”通過翻譯抑制與mRNA切割的協同作用降低Cd吸收，WRKY76-PMEs模塊則通過調控果膠去甲酯化程度增強細胞壁鎘固定能力。兩項工作不僅為解析水稻Cd脅迫響應的分子網絡提供了重要啟示，也為低鎘水稻分子設計育種提供了靶標，對培育適應南方污染農田的安全水稻具有重要應用前景。

參考文獻：

Rong F., Lv Y., Deng P., Wu X., Zhang Y., Yue E., Shen Y., Muhammad S., Ni F., Bian H., Wei X., Zhou W., Hu P., & Wu L*. (2024). Switching action modes of miR408-5p mediates auxin signaling in rice. Nature communications, 15(1), 2525.