镉（Cd）是一种生物毒性很强的重金属元素,对人类具有致癌性,已被国际癌症研究机构列为一级致癌物。然而,随着现代工业化的发展,环境污染日益严重,农田重金属Cd大面积污染对我国粮食安全已构成重大威胁。水稻是全世界最主要的粮食作物,也是人体Cd摄入的主要饮食来源。因此,减少稻米Cd累积是水稻科学研究与产业发展的重要方向。OsNRAMP5是Cd、锰（Mn）吸收的主效转运蛋白,其功能缺失突变体具有极强的降Cd效应,但Mn含量也大幅降低,以致其耐逆性可能减弱;种植在Mn严重缺乏的环境,因体内的Mn含量不能维持植株正常生长发育,而导致产量降低、米质劣变。发掘Cd低但Mn吸收能满足植株生长发育需求的OsNRAMP5等位基因型,分析其遗传特点和功能变异位点,有利于了解水稻Cd、Mn积累性状的遗传基础,为Cd低积累水稻分子育种提供靶标位点和理论依据。本课题组前期研究发现了两个潜在的OsNRAMP5优异单倍型,HAP19和HAP21。与日本晴相比,单倍型HAP19的OsNRAMP5氨基酸序列的第3 1 3位丝氨酸（Ser,S）变成了苯丙氨酸（Phe,F）;单倍型HAP21的OsNRAMP5有两处氨基酸发生变化,一处为第196位氨基酸由甘氨酸（Gly,G）变成缬氨酸（Val,V）,另一处为第220位甘氨酸（Gly,G）缺失。本研究主要分析了 HAP19和HAP21水稻材料的Cd、Mn积累特性,基于HAP19和HAP21水稻材料和高Cd籼稻材料构建的F2遗传群体,分析了 OsNRAMP5所在区段的遗传效应,解析了 HAP21的OsNRAMP5功能变异位点,主要研究结果如下:（1）单倍型HAP19对应7份水稻材料在0.5 mg/kg、0.7 mg/kg、0.9 mg/kg的Cd污染大田条件下,其糙米Cd含量均稳定较低,而其糙米Mn含量也低于其它材料;在水培试验中,低Cd水稻材料（HAP19）呈现出Cd、Mn低吸收,低转运,地上部分和根系Cd、Mn低积累的特点。（2）分析单倍型HAP19对应的水稻材料11009和籼稻华占杂交的F2分离群体表型变异发现,F2分离群体地上部分和根系的Cd、Mn含量均呈现数量性状遗传特点。根据OsNRAMP5编码区第938位核苷酸的改变,开发了 KASP分子标记,发现该位点与地上部分Cd、Mn含量、根系的Cd含量均存在共分离,两个不同遗传背景的F2群体在两点不同环境大田条件下均检测到该位点所在的区段显著影响糙米Cd含量,表型贡献率最高可达到43.01%,但不影响糙米Mn含量。通过吸收动力学实验发现,HAP19对应水稻材料的Cd吸收活性与此位点所在区段紧密关联。通过分析所在区段的候选基因发现,存在OsNRAMP5、OsNRAMP1和OsHMA3三个影响Cd积累的候选基因。通过分析F3代交换单株的C d、Mn含量发现,OsHMA3和OsNRAMP5-OsNRAMP1基因簇对HAP 19水稻材料地上部分的Cd低积累特性均有贡献,而HAP 19水稻材料根系Cd低积累,及地上部分的低Mn积累特性主要由OsNRAMP5-OsNRAMP1基因簇造成。（3）通过田间试验发现,单倍型HAP21对应水稻材料7885的秸秆和糙米Mn含量均高于其它水稻材料;通过水培试验发现,单倍型HAP21对应水稻材料7885的地上部分Mn含量在26份水稻材料中相对较高,且其根系Mn含量与其它材料相比增加的及为明显,说明材料7885具有Mn高积累特性。（4）分析单倍型HAP21对应水稻材料7885和籼稻华占杂交的F2分离群体表型变异发现,F2分离群Cd、Mn含量的累积呈现典型的数量性状遗传特点。根据OsNRAMP5单倍型HAP21编码区第587位核苷酸的变异,开发了 KASP分子标记,发现该位点与根系Mn含量,地上部分Mn含量和糙米Mn含量存在共分离,该位点所在区段对糙米Mn含量的表型贡献率达到26.73%。通过吸收动力学实验发现,7885的Cd吸收活性与此位点无关联,而Mn吸收特性与此位点所在区段紧密关联。（5）在Mn吸收缺陷型酵母菌株Δsmf1中异源表达点突变的OsNRAMP5发现,表达第196位氨基酸由G突变成V的OsNRAMP5相比表达野生型OsNRAMP5,能够更有效地互补Δsmf1缺Mn敏感的生长缺陷,且其Mn含量更高。而表达220位氨基酸缺失（Δ220D）的OsNRAMP5的酵母菌株与表达野生型OsNRAMP5阳性对照长势相当;观察Cd敏感型菌株Δycf1的生长情况发现,表达野生型OsNRAMP5阳性对照的酵母菌株与表达OsNRAMP5不同位点突变的酵母菌株对Cd的敏感性一致。说明第196位氨基酸的突变使OsNRAMP5具有更高的Mn吸收活性,但是不影响Cd的转运。