耕地土壤作为农业生产的基础，其重要程度不言而喻。土壤中重金属污染物对作物重金属积累有直接影响，下面让我们先来了解一下我国耕地土壤重金属的污染情况。

2014年4月17日，国土资源部联合环境保护部公布了《全国土壤污染状况调查公告》，这是我国首次开展的全国土壤污染状况的调查。调查范围是除港澳台以外的中华人民共和国境内的陆地国土，调查地点覆盖了全部的耕地，部分林地、草地、未利用地以及建设用地，调查面积大约630万平方公里。

全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧。耕地土壤点位超标率为19.4%（超标率的计算基础是土壤环境质量标准或特定的评价参考比值），其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。

无机污染物镉、镍、铜、砷、汞、铅都是重金属元素，土壤中重金属元素的积累会对植物生长造成影响，但由于每种重金属元素的理化性质各异，对植物的影响也就略有不同。

镉（Cd）：镉是一种柔软的银白色过渡金属，具有高毒性，常通过工业活动如电镀、电池制造和采矿等进入土壤。镉在土壤中以Cd ²⁺ 的形式存在，迁移率高、毒性大，易通过食物链富集于人体，Cd在人体内的生物半衰期为10~30年。

镍（Ni）：镍是一种坚硬的银白色金属，具有铁磁性和良好的耐腐蚀性。在自然界中，镍广泛存在于地壳中，通常与硫化物矿石共生。在土壤中，镍可能以Ni ²⁺ 的形式存在，植物对其吸收有限，但在某些条件下，如低pH值的土壤中，镍的生物可给性会增加。

铜（Cu）：铜是一种具有高导电性和导热性的红色金属，是人体必需的微量元素之一。然而，过量的铜对植物和人体都是有害的。在土壤中，铜主要以Cu ²⁺ 的形式存在，能够被植物吸收并用于多种生理过程，但高浓度的铜会抑制植物生长。

砷（As）：砷是一种非金属，具有金属性，通常存在于土壤、水和空气中。砷在自然界中主要以无机砷的形式存在，如As（III）和As（V），其中As（III）的毒性大于As（V）。砷可以通过土壤进入食物链，对人体造成危害，尤其是对肝脏和皮肤的影响。

汞（Hg）：汞是一种银白色的液态过渡金属，俗称水银。汞在自然界中主要以Hg ²⁺ 的形式存在，具有高度的挥发性和生物累积性。汞可以通过大气传输并在远距离沉降，污染土壤和水体。汞对人体的毒性很大，尤其是对神经系统的损害。

铅（Pb）：铅是一种柔软的重金属，具有低熔点和高密度。铅在自然界中广泛分布，通常与硫化物矿石共生。在土壤中，铅主要以Pb ²⁺ 的形式存在，可以通过根系被植物吸收。铅对人体的危害主要体现在对神经系统的不良影响上，尤其会对儿童的智力发展产生严重影响。

植物根系通过根毛吸附土壤中的重金属离子，并将其吸收到植物体内。重金属的吸收和运输过程被细分为短距离运输（横向运输）和长距离运输（纵向运输）两种方式。短距离运输主要通过共质体途径和质外体途径进行，这两种途径各自承担着不同的角色。而长距离运输则主要依赖于木质部和韧皮部的协同作用，包括装载、运输和卸载等环节。

共质体途径 （Symplastic and transmembrane pathways）：共质体是由细胞的原生质组成，穿过细胞壁的胞间连丝把细胞与细胞连成一个整体，这些相互联系起来的原生质整体称为共质体。共质体通道是靠胞间连丝把养分从一个细胞运到相邻的细胞中，借助原生质的环流，带动养分的运输，最后向中柱转运（图1）。

质外体途径 （Apoplast pathway）：质外体是由细胞壁和细胞间隙所组成的连续体。在质外体途径中，养分从表皮迁移到达内皮层后，由于凯氏带的阻隔，不能直接进入中柱，而必须首先穿过内皮层细胞原生质膜转入共质体途径，才能进入中柱（图1）。

为了研究Nramp5在植物中的生理作用，研究团队利用T-DNA功能缺失突变体 nramp5 开展研究。通过对 nramp5 突变体的表型进行分析发现， nramp5 突变体中锰元素和镉元素含量显著减少，并且植株矮小。通过外源添加 Mn ²⁺ 能缓解株矮小的表型（图4、5）。

2017年2月，暨南大学莫测辉课题组在 Environmental Pollution 杂志上发表了一篇题为“ Cadmium in rice: transport mechanisms, influencing factors, and minimizing measures ”的综述。阐述了水稻对镉的吸收和转运途径，并且绘制出了镉从根转运到茎，继而转运到籽粒的四个过程（图6）。

2019年11月，南京农业大学的赵方杰课题组在 Plant and Soil 杂志上发表了一篇题为“ Arsenic and cadmium accumulation in rice and mitigation strategies ”的研究论文，该研究更为详细地展示了水稻根系镉吸收过程中可能涉及到的转运蛋白（图7）。

水稻根系对镉的吸收主要是通过锰转运蛋白OsNRAMP5介导的，OsNRAMP5主要在植物根系中表达，实验同样表明亚细胞定位在根毛外表皮和内表皮细胞的质膜上，这种定位模式与锰和镉进入细胞中的作用模式一致，提高根介质中锰的供应能力可以降低水稻根系对镉的吸收。此外， OsNRAMP1 与主要促进因子蛋白质家族OsCd1等转运蛋白对水稻根系镉的吸收也有一定的贡献。

这些分子层面的研究为培育低镉含量的水稻品种，提供了丰富的基因资源。杂交水稻全国重点实验室赵炳然课题组在 Science of the Total Environment 杂志上发表了一篇题为“ Knockout of OsNRAMP5 enhances rice tolerance to cadmium toxicity in response to varying external cadmium concentrations via distinct mechanisms ”的研究论文，阐明了敲除OsNRAMP5对环境镉浓度响应的生理机制。

研究团队利用水稻 osnramp5 突变体和野生型材料，开展了镉浓度梯度水培试验，发现在 0μM Cd和0.1μM Cd处理的情况下， osnramp5 突变体和WT的生长在茎高、根长和植物生物量方面表现出相似的表型（图8A-E）。在0.5~15μM Cd处理的毒性条件下， osnramp5 突变体的茎高和茎干重显著高于WT（图8A、B、D），说明敲除 OsNRAMP5 减轻了Cd对水稻生长的抑制，提高了水稻对Cd的耐受性。值得注意的是，在0.5~5μM Cd处理下， osnramp5 突变体的茎高和茎干重与未经过Cd处理的WT相当（图8A、B、D），说明在外部0.5~5μM Cd范围内， OsNRAMP5 突变几乎消除了Cd对植株生长的抑制作用。

为了研究OsNRAMP5在不同Cd浓度外源溶液中水稻Cd对吸收的贡献，利用 nramp5 突变体和WT进行了为期20min的Cd吸收动力学分析实验。在26℃或4℃条件下将3周龄的植物暴露在0.5、1.0、2.0、5.0、10和15μM Cd环境中20min来测定Cd的吸收。结果表明，在0.5~2μM Cd浓度下敲除 OsNRAMP5 会导致水稻吸收镉的能力几乎完全丧失。OsNRAMP5在5~15μM Cd浓度下仍是水稻吸收Cd的主要转运蛋白，但其贡献程度显著低于在0.5~2μM Cd环境下的贡献（图9）。

为了研究敲除 OsNRAMP5 对不同Cd浓度土壤中水稻籽粒和秸秆Cd积累的影响，在3个不同Cd浓度的试验小区上种植WT和 osnramp5 突变体。试验小区土壤Cd浓度分别为0.7mg/kg（中度Cd污染水平）、8.6mg/kg和24.2mg/kg（重度Cd污染水平），模拟矿区和冶炼厂附近土壤Cd浓度。

在Cd浓度为0.7mg/kg和8.6mg/kg的土壤中生长时， osnramp5 突变体秸秆Cd浓度显著低于WT，分别降低了95.5-96.5%和80.5-81.0%（图10A）。同样， osnramp5 突变体籽粒（糙米）中的Cd浓度也显著低于WT，分别降低了97.8-98.3%和60.1-62.1%（图10B）。这些结果表明，在多种土壤Cd浓度下，敲除 OsNRAMP5 对降低籽粒Cd积累是有效的。

值得注意的是，当 osnramp5 突变体在镉浓度为8.6mg/kg的土壤中生长时，籽粒镉浓度超过了国标食品中污染物镉限量值0.2mg/kg（图10B）。然而，当在24.2mg/kg Cd浓度的土壤中生长时， osnramp5 突变体与WT之间的水稻秸秆和籽粒Cd浓度没有显著差异（图10A-B）。这些结果表明， OsNRAMP5 突变对降低秸秆和籽粒Cd积累的作用随着土壤Cd浓度的增加而减弱，直到没有差异。

总的来说，随着环境Cd浓度的升高，OsNRAMP5转运蛋白对水稻吸收Cd的贡献呈降低趋势；从低Cd到高Cd环境，敲除 OsNRAMP5 对地上部Cd积累的效应受环境Cd浓度影响，并且以不同的生理机制增强水稻的Cd耐受性（图11）。

图11 敲除 OsNRAMP5 增强水稻对不同浓度外部镉的耐受性的机制(Tang et al., 2022)。

随着科研的进一步深入，科研工作者围绕 OsNRAMP5 基因的探索不再只满足于培育低镉含量的水稻品种，与其他重金属转运基因的协同作用成为了另一个探索的方向。

2024年6月，中国水稻研究所胡培松院士团队在 Plant Biotechnology Journal 杂志在线发表了一篇题为“ Production of Grains with Ultra-low Heavy Metal Accumulation by Pyramiding Novel Alleles of OsNramp5 and OsLsi2 in Two-line Hybrid Rice ”的研究论文，该研究通过在籼粳遗传背景下系统评价系列镉调控关键基因的减少镉积累能力，并进一步在恢复系和不育系中聚合镉、砷关键调控基因优异等位变异，成功创制了籽粒中镉和砷超低积累的两系杂交水稻，为镉砷等重金属复合污染地区生产重金属不超标的稻米提供了解决方案。

在中嘉早17（YK17）和C两优17（CLY17）系列杂交稻背景下分别研究相关镉调控关键基因的减少镉积累能力，获得了降低镉积累效应最优且综合农艺性状优良的低镉品种株系YK17 ^OsNramp5 和CLY17 ^OsNramp5 。同时，利用水稻砷吸收转运主效基因创制了携带不同镉和砷调控基因的植株YK17 ^OsLsi2 和CLY17 ^OsLsi2 。利用上述植株进行配组，并对后续杂交稻组合籽粒进行重金属元素测定。

在大田种植环境下，与相应对照相比，YK17 ^OsNramp5 和CLY17 ^OsNramp5 品系籽粒中Cd含量分别降低了64.6%和85.2%，YK17 ^OsLsi2 和CLY17 ^{Os Lsi2} 籽粒中总As含量分别降低了48.2%和42.3%，YK17 ^{OsNramp5 OsLsi2} （Cd减少72.9%，As减少53.2%）和CLY17 ^{OsNramp5 OsLsi2} （Cd减少78.8%，As减少42.9%）籽粒中Cd和As含量均极显著降低（图12）。结合稻米常规理化品质测定和综合农艺性状考查（图13），筛选出镉、砷同步超低积累且综合性状表现优良的两系杂交稻品系及最优等位基因型组合。

随着对作物中重金属含量的深入研究，我们不仅在培育低镉水稻品种方面取得了令人瞩目的进展，而且在揭示重金属在植物体内转运机制的奥秘上也取得了突破性的进展。从最初的粗浅了解，到如今细致入微的探索，科研工作的无限魅力在这一过程中得到了充分展现。期待着后续会有更多的基础研究成果能够转化为实际应用，为确保粮食安全和环境保护贡献力量。