镉诱导表达的水稻转运蛋白的功能研究

Rice, a staple crop for more than half of the population in the world, is also a promising candidate for Cd phytoremediation. With the Cd pollution increase, it is necessary to lower Cd levels in grain for food safety and raise Cd-resistance for phytoremediation. So far a limited number of genes has been identified to be responsible for Cd uptake, transportation, compartmentation or sequestration, which is a prerequisite for genetic improvement of Cd accumulation and resistance. The research proposed herein aims to isolate genes involved in Cd accumulation and/or resistance from 39 transporters that have been identified to be Cd-responsive. We will first characterize their knockout mutants, RNA interference lines and overexpression plants to identify genes that are required for rice Cd resistance and grain Cd accumulation. Then the subcellular location of candidate genes and their element specificity for transportation will be studied using protoplast transportation assay and yeast metal resistance analysis. After that, double mutants or triple mutants will be developed to study the interaction among these genes in genetic control of Cd accumulation and resistance. The success of this project will benefit both breeding of Cd-pollution safe rice and Cd phytoremediation, thus facilitating the rapid development of rice as a model plant to be adopted in ecological management of soil Cd pollution.

日益严重的稻田镉污染威胁着我国生态安全和食品安全，培育低镉积累品种以降低稻米镉含量，或者培育耐镉品种以用于植物修复是防治稻田镉污染的理想手段。阐明水稻对镉的吸收和转运的分子机理是培育低镉品种和耐镉品种的前提，但是已有的分子生物学研究成果还不能全部解释水稻对镉的吸收、转运、外排以及螯合等生物学过程，不能满足低镉、耐镉水稻分子育种的需要。在前期水稻镉胁迫转录组研究中，我们鉴定出了39个镉诱导表达的转运蛋白基因。本项目拟以此为基础，1）筛选能显著改变镉吸收、转运、隔离或外排能力的镉诱导转运蛋白基因；2）研究它们的生理生化功能，阐明其参与镉胁迫响应的分子机理；3）探索多个基因的组合利用来降低稻米镉含量和/或增加水稻镉抗性的可行性。可预期的研究成果能完善人们对水稻镉胁迫响应机制的理解，为水稻低镉或耐镉育种提供基因资源，从提高作物抗镉污染风险的角度探索生态修复土壤镉污染的理论基础。

日益严重的稻田镉污染威胁着我国生态安全和食品安全，培育低镉积累品种以降低稻米镉含量，或者培育耐镉品种以用于植物修复是防治稻田镉污染的理想手段。阐明水稻对镉的吸收和转运的分子机理是培育低镉品种和耐镉品种的前提。本项目在水稻Cd胁迫转录组分析的基础上，通过高通量的转录组学和反向遗传学等方法，获得了117个镉胁迫响应的转运蛋白和132个ABC和ZIP转运蛋白家族突变体。以这些转运蛋白基因为研究对象，创制了一系列突变比并获得了10个能降低或提高稻米镉含量的转基因植株。对其中两个转运蛋白OsZIP4和OsZIP7的吸收，转运和分配等特性进行了深入、系统的功能研究。OsZIP4主要在营养生长时期的基部茎节和根中，生殖生长时期的节包括倒一节，倒二节中表达。利用Promoter-Gus实验证明此基因主要在植物不同组织的维管束中表达，包括根，胚芽鞘，茎，茎节，叶鞘等组织，亚细胞定位实验证明此蛋白定位于细胞膜，暗示此蛋白在维管束中可能具有转运功能。体外酵母实验显示此蛋白具有转运镉的能力，而Tos17插入缺失突变体的糙米中镉含量的降低揭示此蛋白在植物体内的确具有转运镉的能力。OsZIP7定位于细胞膜上，是一个Cd/Zn转运蛋白，其主要在水稻根和茎节的维管束中表达，在Cd/Zn向木质部装载和茎节的横向运输中起关键作用。该基因缺失的水稻突变体会导致木质部和韧皮部汁液中的Cd、Zn含量减少，从而在种子和幼嫩部位积累量降低。本项目的完成为完善人们对镉被植物吸收、转运和脱毒机制的认识提供有益的补充，部分低镉突变体具有育种潜力，可以为低镉分子育种提供基因资源和种质资源。

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