Physiological properties involved in divergent cadmium (Cd) accumulation among rice genotypes were characterized using the indica cultivar 'Habataki' (high Cd in grains) and the japonica cultivar 'Sasanishiki' (low Cd in grains). Time-dependence and concentration-dependence of symplastic Cd absorption in roots were revealed not to be responsible for the different Cd accumulation between the two cultivars because root Cd uptake was not greater in the Cd-accumulating cultivar 'Habataki' compared with 'Sasanishiki'. On the other hand, rapid and greater root-to-shoot Cd translocation was observed in 'Habataki', which could be mediated by higher abilities in xylem loading of Cd and transpiration rate as a driving force. To verify whether different abilities in xylem-mediated shoot-to-root translocation generally account for the genotypic variation in shoot Cd accumulation in rice, the world rice core collection, consisting of 69 accessions which covers the genetic diversity of almost 32,000 accessions of cultivated rice, was used. The results showed strong correlation between Cd levels in xylem sap and shoots and grains among the 69 rice accessions. Overall, the results presented in this study revealed that the root-to-shoot Cd translocation via the xylem is the major and common physiological process determining the Cd accumulation level in shoots and grains of rice plants.

Accumulation of cadmium (Cd) in rice ( Oryza sativa L.) grains poses a potential health problem, especially in Asia. Most Cd in rice grains accumulates through phloem transport, but the molecular mechanism of this transport has not been revealed. In this study, we identified a rice Cd transporter, OsLCT1, involved in Cd transport to the grains. OsLCT1-GFP was localized at the plasma membrane in plant cells, and OsLCT1 showed Cd efflux activity in yeast. In rice plants, strong OsLCT1 expression was observed in leaf blades and nodes during the reproductive stage. In the uppermost node, OsLCT1 transcripts were detected around large vascular bundles and in diffuse vascular bundles. RNAi-mediated knockdown of OsLCT1 did not affect xylem-mediated Cd transport but reduced phloem-mediated Cd transport. The knockdown plants of OsLCT1 accumulated approximately half as much Cd in the grains as did the control plants. The content of other metals in rice grains and plant growth were not negatively affected by OsLCT1 suppression. These results suggest that OsLCT1 functions at the nodes in Cd transport into grains and that in a standard japonica cultivar, the regulation of OsLCT1 enables the generation of “low-Cd rice” without negative effects on agronomical traits. These findings identify a transporter gene for phloem Cd transport in plants.

Abstract For a better understanding of metal-ligand interaction and its function in cells, we developed an easy, sensitive, and high-throughput method to quantify ligand-metal(loid) binding affinity under physiological conditions by combining ligand-attached affinity beads and inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES). Glutathione (GSH) and two phytochelatins (PC2 and PC3, small peptides with different numbers of free thiols) were employed as model ligands and attached to hydrophilic beads. The principle of the assay resembles that of affinity purification of proteins in biochemistry: metals binding to the ligand on the beads and the rest in the buffer are separated by a spin-column and quantified by ICP-OES. The binding assay using the GSH-attached beads and various metal(loid)s suggested the different affinity of the metal-GSH interactions, in accordance with the order of the Irving–Williams series and the reported stability constants. The binding assay using PC2 or PC3-attached beads suggested positive binding between PCs and Ni(II), Cu(II), Zn(II), Cd(II), and As(III) in accordance with the number of thiols in PC2 and PC3. We then conducted the competition assay using Cd(II), Mn(II), Fe(II), Cu(II), and Zn(II) and the results suggested a better binding affinity of PC2 with Cd(II) than with the essential metals. Another competition assay using PC2 and GSH suggested a robust binding affinity between PCs and Cd(II) compared to GSH and Cd(II). These results suggested the dominance of PC-Cd complex formation in vitro , supporting the physiological importance of PCs for the detoxification of cadmium in vivo . We also discuss the potential application of the assay.

Methylmercury (MeHg) is widely distributed in nature and is known to cause neurotoxic effects. This study aimed to examine the anti-MeHg activity of oleanolic acid-3-glucoside (OA3Glu), a synthetic oleanane-type saponin derivative, by evaluating its effects on motor function, pathology, and electrophysiological properties in a mouse model of MeHg poisoning. Mice were orally administered 2 or 4 mg·kg-1·d-1 MeHg with or without 100 µg·kg-1·d-1 OA3Glu 5x/week for four weeks. Motor function was evaluated using beam-walking and dynamic weight-bearing (DWB) tests. High-dose MeHg exposure significantly increased the frequency of stepping off the hind leg while crossing the beam in the beam-walking test, and increased weight on forelegs when moving freely in the DWB test. OA3Glu treatment alleviated motor abnormality caused by high-dose MeHg exposure in both motor function tests. Additionally, OA3Glu treatment reduced the number of contracted Purkinje cells frequently observed in the cerebellum of MeHg-treated groups, although cerebrum histology was similar in all experimental groups. The synaptic potential amplitude in the cerebellum decreased as MeHg exposure increased, which was restored by OA3Glu treatment. Even in the cerebrum, where the effects of MeHg were not observed, the amplitude of the field potential was suppressed with increasing MeHg exposure but was restored with OA3Glu treatment. Taken together, the study findings suggest that OA3Glu improves neurotransmission and movement disorders associated with MeHg exposure via protection of Purkinje cells in the cerebellum while ameliorating pre/post-synaptic deficits in the cerebral cortex in which no changes were observed at the tissue level, potentially providing a treatment to mitigate MeHg toxicity.

Abstract We aimed to efficiently enhance plant Hg(II) tolerance by the transgenic approach utilizing a bacterial mercury transporter MerC, an Arabidopsis mesophyll specific promoter pRBCS1A , and a vacuolar membrane targeting syntaxin AtVAM3/SYP22. We generated two independent homozygous Arabidopsis pRBCS1A-TCV lines expressing mT-Sapphire-MerC-AtVAM3 under the control of pRBCS1A . Quantitative RT-PCR showed that the transgene was expressed specifically in shoots of pRBCS1A-TCV lines. Confocal analyses further demonstrated the leaf mesophyll specific expression of mT-Sapphire-MerC-AtVAM3. Confocal observation of the protoplast derived from the F1 plants of the pRBCS1A-TCV line and the tonoplast marker line p35S-GFP-δTIP showed the tonoplast colocalization of mT-Sapphire-MerC-AtVAM3 and GFP-δTIP. These results clearly demonstrated that mT-Sapphire-MerC-AtVAM3 expression in Arabidopsis is spatially regulated as designed at the transcript and the membrane trafficking levels. We then examined the Hg(II) tolerance of the pRBCS1A-TCV lines as well as the p35S-driven MerC-AtVAM3 expressing line p35S-CV under the various Hg(II) stress conditions. Short-term (12 d) Hg(II) treatment indicated the enhanced Hg(II) tolerance of both pRBCS1A-TCV and p35S-CV lines. The longer (3 weeks) Hg(II) treatment highlighted the better shoot growth of the transgenic plants compared to the wild-type Col-0 and the pRBCS1A-TCV lines were more tolerant to Hg(II) stress than the p35S-CV line. These results suggest that mesophyll-specific expression of MerC-AtVAM3 is sufficient or even better to enhance the Arabidopsis Hg(II) tolerance. The Hg accumulation in roots and shoots did not differ between the wild-type Col-0 and the MerC-AtVAM3 expressing plants, suggesting that the boosted Hg(II) tolerance of the transgenic lines would be attributed to vacuolar Hg-sequestration by the tonoplast-localized MerC. Further perspectives of the MerC-based plant engineering are also discussed.