锰元素（Mn manganese）是植物生长发育 的 必需元素之一，且对水稻镉（ Cd cadmium）的吸收累积有一定的调控作用。 OsNRAMP5是 水稻中重要的 Mn和 Cd转运蛋白， 通过敲除 OsNRAMP5基因可显著降低稻米的 Cd累积。 然而 OsNRAMP5的 转录水平 表达 量 是否与 Cd累积 程度 相关， 其表达 是否受外界 Mn供 应 水平 调控尚未明确。本研究以田间高污染区具有 Cd累积差异的四个常规籼稻品种、 OsNRAMP5敲除品种及其野生型对照为研究对象，采用螯合剂 -缓冲营养液体系，从生理特征、元素吸收、相关转运蛋白基因转录水平表达情况及转录组学 等方面 ，系统研 究了 Mn元素及 OsNRAMP5的表达及功能 对水稻 Cd元素的吸收和累积的影响。主要研究成果如下：

（1 )揭示了外源 Mn供应水平对水稻生长的影响及品种响应差异。本研究通过量
化四个常规籼稻的 Mn营养分级状况，系统地研究了外源 Mn供应水平对不同水稻品种的农艺特征、光合作用参数、抗氧化系统及相关矿质营养元素吸收特征的影响。 结果显示，常规籼稻品种 在 pMn2+ 7.72处理 pMn2+为 Mn2+活度， 0.1 μM MnCl2 时表现为临界 Mn缺乏，在 pMn2+ 7.22处理 0.32 μM MnCl2 时表现为临界 Mn充足，在 pMn2+ 5.73处理 10 μM MnCl2 时表现为 Mn完全充足，而在 pMn2+ 4.79处理 100 μM MnCl2时表现为 Mn毒害。 水稻的生长、光合作用系统、抗氧化系统及营养元素吸收均受外 源Mn供给水平 的 影响 ，且不同水稻品种间存在不同的响应策略。对大部分品种而言 抗坏血酸过氧化物酶 APX 、 过氧化氢酶 CAT 和 超氧化物歧化酶 SOD 活性在缺Mn时显著上调， 同时， CAT和 SOD活性在 Mn毒害时显著上调。相对于缺 Mn条件，丙二醛 MDA 更容易在 Mn毒害条件下累积。

（2 )探讨了水稻 Mn供应水平 -Cd累积浓度 -OsNRAMP5表达量三者间 的 相互作用关系。本研究测定了四个常规籼稻品种地上、地下部分的 Mn和 Cd累积浓度及相应 组织 的 OsNRAMP5表达量。结 果显示， 受试水稻品种地上、地下部分的 OsNRAMP5表达量受外界 Mn2+活度 显著 影响，且地下部分的 OsNRAMP5表达量在 Mn毒害水平显著上调。同时，在不同 Mn2+活度下 部分受试品种的 OsNRAMP5表达量与 Mn累积浓度正相关 而 对于 不同品种 而言，各品种间 地下部分 的 OsNRAMP5表达量与 Mn累积浓度之间 仅 在 Mn充足水平下存在显著的正相关关系。四个常规籼稻品种的地下部分 Cd累积浓度均在 Mn毒害情况下显著降低，但地上部分 Cd累积浓度在不同 Mn2+活度下无显著变化。同时，OsNRAMP5的表达量并不能直接反映水稻的 Cd累积程度。

（3）探讨了 OsNRAMP5基因的敲除在不同 Mn供给水平下对水稻 Cd吸收和累积的影响。本研究系统地测定了 OsNRAMP5敲除品种及其对应野生型在不同 Mn2+活度下的 Mn和 Cd累积浓度特征、 Cd吸收速率、相关 Cd转运基因在转录水平的表达量、相关矿质营养元素的吸收及其转运基因在转录水平的表达量。 研究结果表明， OsNRAMP5基因的敲除显著降低了水稻 Mn元素的吸收，同时抑制了 Mn元素向地上部分的转运。同时 在 Mn充足时 OsNRAMP5敲除品种显著降低地上部分和地下部分的 Cd累积浓度 但在临界 Mn缺乏条件下， OsNRAMP5敲除品种地上部分 Cd累积浓度显著升高。OsNRAMP5敲除显著影响 Cd相关的转运蛋白 基因的表达 ，其中，地下部分 OsHMA2基因的上调 导致 Cd转移系数显著 升高 。同时， OsNRAMP5基因的敲除会显著影响 其他矿
物元素 Fe、 Zn和 Cu的吸收与转运，且影响程度与外界 Mn2+活度有关。

  （4 挖)掘了 OsNRAMP5敲除和 Mn2+活度对水稻生长及 Cd吸收、累积影响的分子机制。本研究基于 OsNRAMP5敲除品种及其对应野生型在 Mn缺乏 0.1 μM, pMn2+ 7.72 、 Mn完全充足 10 μM, pMn2+ 5.73 和 Mn毒害 100 μM, pMn2+ 4.79 三个 Mn供应水平的转录组数据，进行了趋势分析、 GO富集分析及 KEGG代谢途径分析，以探究 OsNRAMP5的敲除在不同 Mn供应水平下的分子机制。 结果表明， 相对于野生型 WT突变体 T210产生更多 差异表达基因，且 在 GO功能富集和 KEGG代谢途径分析中注释到更多的信息，说明 OsNRAMP5基因的敲除使水稻对 外界 Mn2+的供给更敏感。苯丙素合成途径（木质素合成途 径）和二萜类物质的生物合成途径（赤霉素合成途径）在 KEGG代谢途径分析中显著。结果显示， OsNRAMP5的敲除促进了木质素 单体的 合成 与聚合同时 在 Mn缺乏处理时， 突变体 T210木质素的过量累积 加重了 缺 Mn导致的 生长受限。木质素的聚合过程基因 OsPOD在不同 Mn2+活度下的变化与对应的 Cd转移系数变化一致。 外源 Mn2+活度和 OsNRAMP5的敲除均在 不同程度上影响了赤霉素合成相关酶基因的表达，其中，在缺 Mn时突变体 T210赤霉素合成相对较低导致的生物量的浓缩效应是 造成地上部分 Cd累积量激增的原因之一。 因此， 可在后续研究中对木质素 含量及单体组成比例 和赤霉素含量测定加以验证。

  OsNRAMP5表达量高低并不能直接反映水稻对应组织的镉累积程度 因此，
OsNRAMP5在蛋白水平的表达量应作为后续研究的重点。 OsNRAMP5的敲除能显著降低水稻 Cd的吸收与累积， 但在高度 Mn缺乏时会显著上调 Cd的转移系数，因此OsNRAMP5敲除品种的 实际 应用需 要 考虑土壤环境的 Mn有效浓度及外源 Mn肥的配套应用。外源 Mn供给水平及 OsNRAMP5敲除均显著影响 Cd相关 吸收转运、相关矿质元素吸收转运、木质素生物合成及赤霉素生物合成过程的相关基因 的 表达，进而共同影响水稻的 Cd累积程度。 因此在后续研究中因考虑多 因素对 Cd累积的共同作用。