de.wedoany.com-Bericht: Dr. Sheng Huang und Professor Jianfeng Ma vom Institut für Pflanzenwissenschaften und Ressourcenforschung der Universität Okayama in Japan haben gemeinsam mit dem Team von Professor Jiayang Li vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mithilfe präziser Baseneditierungstechnologie eine vorteilhafte Punktmutation im Metalltransporter-Gen OsNramp5 von Reis entdeckt. Dadurch gelang es, eine Reissorte zu entwickeln, deren Cadmiumgehalt um 48 % reduziert ist, ohne dass die Aufnahme essenzieller Nährstoffe oder der Ertrag beeinträchtigt werden.

Cadmiumbelastung stellt eine ernsthafte Bedrohung für die globale Lebensmittelsicherheit dar. Als giftiges und krebserregendes Schwermetall kann Cadmium durch Industrialisierung und Urbanisierung in landwirtschaftlichen Böden akkumulieren und anschließend in die menschliche Nahrungskette gelangen. Reis ist besonders anfällig, da er mehr Cadmium aufnimmt als andere wichtige Getreidearten und somit für fast die Hälfte der Weltbevölkerung die Hauptquelle der Cadmiumbelastung über die Nahrung darstellt. Obwohl Forscher seit langem nach der Entwicklung Cadmium-armer Reissorten streben, reduzieren bestehende Methoden oft die Aufnahme essenzieller Nährstoffe oder beeinträchtigen das Pflanzenwachstum und den Ertrag, was ihre Praktikabilität einschränkt.

Das Forschungsteam führte eine Sättigungsmutagenese des OsNramp5-Gens durch und erzeugte mit Adenin- und Cytosin-Baseneditoren über 1600 genomeditierte Reissorten. Durch die Untersuchung hunderter Sorten wurden Varianten identifiziert, die die Cadmiumakkumulation reduzieren, während die normale Manganaufnahme und Pflanzenleistung erhalten bleiben. Die Studie ergab, dass der Austausch der Aminosäure an Position 441 von Isoleucin zu Threonin (OsNramp5I441T) die vielversprechendsten Ergebnisse lieferte. Die Ergebnisse wurden am 18. Juni 2026 in Band 123 der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Nach der Identifizierung der vielversprechendsten Mutante führten die Forscher detaillierte physiologische Analysen, Genexpressionsstudien, Proteinlokalisierungsexperimente, Hefetransportversuche sowie Feldversuche auf Cadmium-belasteten Böden durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die OsNramp5I441T-Mutation die Cadmiumakkumulation in Stängeln, Blättern und Körnern reduziert, ohne die Genexpression, Proteinmenge, Zelllokalisierung oder den Ertrag zu verändern. In Feldversuchen sank die Cadmiumkonzentration in braunem Reis um 48 %, von 0,14 mg/kg bei Wildtyp-Pflanzen auf 0,07 mg/kg bei editierten Pflanzen, während die Konzentrationen essenzieller Spurennährstoffe wie Eisen, Mangan und Zink unverändert blieben.

Weitere Untersuchungen enthüllten den Wirkmechanismus dieser einzelnen Aminosäureveränderung. Bekanntlich transportiert OsNramp5 Mangan und Cadmium, doch die Forscher fanden heraus, dass es auch Zink transportiert. Die I441T-Mutation erhöht die Präferenz des Transportproteins für Zink, sodass mehr Zink in den Wurzelzellen akkumuliert. Dieses erhöhte Zink konkurriert anschließend während des Transports von der Wurzel zum Spross mit Cadmium und reduziert die Bewegung von Cadmium zum Spross und letztlich zu den Körnern. Die Mutation blockiert die Cadmiumaufnahme nicht vollständig, sondern schränkt deren Transport selektiv ein, wodurch die langjährige Herausforderung gelöst wird, Cadmium in Körnern zu reduzieren, ohne die Versorgung der Pflanze mit essenziellen Mineralstoffen zu beeinträchtigen.

Die Studie bietet einen praktischen Ansatz zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit durch Präzisionszüchtung. Bestehende Strategien zur Reduzierung von Cadmium in Reis, einschließlich Bodenverbesserung, Wasserbewirtschaftung oder vollständigem Knockout von OsNramp5, können kostspielig, zeitaufwendig sein oder das Pflanzenwachstum beeinträchtigen, da OsNramp5 gleichzeitig das essenzielle Nährstoffmangan transportiert. Durch die Modifikation nur einer einzelnen Aminosäure anstelle der Eliminierung des gesamten Gens konnten die Forscher den Cadmiumspiegel signifikant senken, während normales Pflanzenwachstum, Ertrag und die Akkumulation essenzieller Spurennährstoffe erhalten blieben. Professor Jianfeng Ma erklärte, dass sein Team seit über 20 Jahren die Cadmiumakkumulation in Reis untersucht und mehrere Schlüsselgene identifiziert habe. Da OsNramp5 auch essenzielle Metalle transportiert, zielte das Team darauf ab, dessen Metallselektivität zu verändern, anstatt seine Funktion zu eliminieren, und erzielte so diese Punktmutation.

Die Forscher sind der Ansicht, dass das neu identifizierte OsNramp5I441T-Allel die Entwicklung Cadmium-armer Reissorten beschleunigen kann, die für den Anbau auf leicht belasteten Böden geeignet sind, während Produktivität und Nährstoffqualität erhalten bleiben. Professor Jianfeng Ma fasste zusammen: „Diese Mutation bietet eine effektive Strategie zur Reduzierung der Cadmiumakkumulation in Reiskörnern, ohne Ertrag oder essenzielle Mineralstoffernährung zu opfern, und eröffnet einen vielversprechenden Weg zur Produktion sichereren Reises für die Verbraucher.“