水稻是世界上幾乎一半人口的主食。然而跟大麥和小麥等其他穀物相比，它從土壤中吸收的鎘更多。據報道，大米占我們飲食中有毒重金屬鎘總消費量的40-65%。食用受鎘污染的大米的人面臨著巨大的健康危險，這事因為過量的鎘攝入跟伊泰伊泰病等疾病有關。
之前，人們通過進口乾凈的土壤、管理水及將受污染的土壤與生物炭和石灰結合起來努力降低大米中的鎘含量。然而這些技術需要大量的時間和金錢。為了解決這個問題，科學家們利用雜交育種來培育鎘積累較少的水稻。
“我們長期以來一直在研究水稻和大麥中的鎘積累機制並確定了參與其積累的幾個關鍵基因，”隸屬於日本岡山大學植物科學與資源研究所的Jian Feng Ma教授說道。最近，Ma教授在《Nature Food》上發表了一篇論文，其詳細介紹了在這個過程中發揮作用的遺傳機制。
Ma教授和他的研究小組成員研究了132個水稻品種，他們發現基因OsNramp5在串聯複製時減少了Pokkali（一種在印度喀拉拉邦種植了三千年的水稻）的鎘積累。根據早期的研究，OsNramp5編碼了水稻中的一種鎘和錳的轉運蛋白。當同一基因被串聯複製時，它能增加根細胞對這兩種礦物質的吸收。因此，錳和鎘在細胞中競爭以轉移到芽中，這反過來又抑制了鎘在這些區域的積累。
研究人員發現，OsNramp5的串聯複製只存在於132個水稻品系中的一個即Pokkali，它可以在沿海鹽鹼地上生長。
研究人員還發現，OsNramp5的空間表達水平在Pokkali的根部始終比在Koshihikari的根部高約1倍。
由於Pokkali在其芽中儲存的鎘含量極低，科學家們將複製的OsNramp5基因引入了Koshihikari，這是一種在日本非常受歡迎的水稻品種，但鎘的累積水平相對較高。在解釋定向育種如何幫助人類時，Ma教授說道：“我們根據鎘積累的自然變化確定了一個負責稻穀中鎘不同積累的基因。然後，我們應用這個基因成功地培育出穀物中低鎘積累的水稻栽培品種。”
研究小組發現，帶有重複基因的Koshihikari栽培品種的鎘積累量明顯較低，並且還不影響穀物質量或產量。
在談到低鎘積累水稻品種的好處時，Ma教授說道：“鎘是一種有毒的重金屬，通過食物鏈威脅着我們的健康。我們的研究為培育低鎘積累的水稻品種提供了有用的材料，這有助於生產安全和健康的食品。我們希望這個基因能被廣泛用於培育不同的低鎘積累的水稻品種。這將保護我們免受鎘中毒的影響。”