Rice (Oryza sativa) is indispensable in the diet of most of the world’s population. Thus, it is an important target in which to alter iron (Fe) uptake and homeostasis, so as to increase Fe accumulation in the grain. We previously isolated OsYSL2, a functional iron [Fe(II)]- and manganese [Mn(II)]-nicotianamine complex transporter that is expressed in phloem cells and developing seeds. We produced RNAi (OsYSL2i) and overexpression lines (OXOsYSL2) of OsYSL2. At the vegetative stage in an OsYSL2i line, the Fe and Mn concentrations were decreased in the shoots, and the Fe concentration was increased in the roots. At the reproductive stage, positron-emitting tracer imaging system analysis revealed that Fe translocation to the shoots and seeds was suppressed in OsYSL2i. The Fe and Mn concentrations were decreased in the seeds of OsYSL2i, especially in the endosperm. Moreover, the Fe concentration in OXOsYSL2 was lower in the seeds and shoots, but higher in the roots, compared with the wild type. Furthermore, when OsYSL2 expression was driven by the sucrose transporter promoter, the Fe concentration in the polished rice was up to 4.4-fold higher compared with the wild type. These results indicate that the altered expression of OsYSL2 changes the localization of Fe, and that OsYSL2 is a critical Fe-nicotianamine transporter important for Fe translocation, especially in the shoots and endosperm.

The most widespread dietary problem in the world is mineral deficiency. We used the nicotianamine synthase ( NAS ) gene to increase mineral contents in rice grains. Nicotianamine (NA) is a chelator of metals and a key component of metal homeostasis. We isolated activation-tagged mutant lines in which expression of a rice NAS gene, OsNAS3 , was increased by introducing 35S enhancer elements. Shoots and roots of the OsNAS3 activation-tagged plants ( OsNAS3-D1 ) accumulated more Fe and Zn. Seeds from our OsNAS3-D1 plants grown on a paddy field contained elevated amounts of Fe (2.9-fold), Zn (2.2-fold), and Cu (1.7-fold). The NA level was increased 9.6-fold in OsNAS3-D1 seeds. Analysis by size exclusion chromatography coupled with inductively coupled plasma mass spectroscopy showed that WT and OsNAS3-D1 seeds contained equal amounts of Fe bound to IP6, whereas OsNAS3-D1 had 7-fold more Fe bound to a low molecular mass, which was likely NA. Furthermore, this activation led to increased tolerance to Fe and Zn deficiencies and to excess metal (Zn, Cu, and Ni) toxicities. In contrast, disruption of OsNAS3 caused an opposite phenotype. To test the bioavailability of Fe, we fed anemic mice with either engineered or WT seeds for 4 weeks and measured their concentrations of hemoglobin and hematocrit. Mice fed with engineered seeds recovered to normal levels of hemoglobin and hematocrit within 2 weeks, whereas those that ate WT seeds remained anemic. Our results suggest that an increase in bioavailable mineral content in rice grains can be achieved by enhancing NAS expression.

To address the problem of iron-deficiency anemia, one of the most prevalent human micronutrient deficiencies globally, iron-biofortified rice was produced using three transgenic approaches: by enhancing iron storage in grains via expression of the iron storage protein ferritin using endosperm-specific promoters, enhancing iron translocation through overproduction of the natural metal chelator nicotianamine and enhancing iron flux into the endosperm by means of iron(II)-nicotianamine transporter OsYSL2 expression under the control of an endosperm-specific promoter and sucrose transporter promoter. Our results indicate that the iron concentration in greenhouse-grown T2 polished seeds was sixfold higher and that in paddy field-grown T3 polished seeds was 4.4-fold higher than that in non-transgenic seeds, with no defect in yield. Moreover, the transgenic seeds accumulated zinc up to 1.6-times in the field. Our results demonstrate that introduction of multiple iron homeostasis genes is more effective for iron biofortification than the single introduction of individual genes.