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马奇英教授课题组在水稻磷转运蛋白吸收转运五价砷功能研究中取得新进展

       无机砷(arsenic, As)是致癌物质,容易被农作物吸收并在作物可食用部分累积,通过食物链危害人体健康。稻米是食物中无机砷的最重要来源, 大约占我国人群无机砷平均摄入量的60%。阻控水稻对环境中砷的吸收和转运,降低水稻籽粒中总砷及无机砷的积累,对于保障食品安全和人体健康具有重要意义。
       我院马奇英教授课题组通过对水稻磷相关突变体进行五价砷(Arsenate, AsV)抗性筛选,发现水稻磷酸盐转运蛋白基因OsPT4突变可显著增强水稻AsV的抗性。水稻大部分的生育期处在淹水的厌氧条件下,砷的赋存形态以三价砷(Arsenite, AsIII)为主,但由于水稻栽培过程中的水旱交替环境,及水稻根系较强的泌氧能力,五价砷(AsV)在水稻砷积累中的贡献也不可忽视。
图1 OsPT4基因突变导致水稻对AsV抗性显著增强。(A)无砷或(B)15 μM AsV条件下生长10 d的野生型水稻WT1和WT2以及对应突变体M1和M2;(C)无砷或(D)15 μM AsV条件下水稻的根长分析;(E)无砷或(F)15 μM AsV条件下水稻的株高统计。

       为深入研究OsPT4在水稻AsV吸收转运过程中的功能,研究人员利用两个不同背景的T-DNA 插入ospt4突变体株系,对其砷吸收积累状况与各自野生型材料进行了全面比较。在短期营养液培养条件下,ospt4突变体对营养液中AsV的吸收速率和根系向地上部AsV的转运比例均显著下降;敲除OsPT4基因不同程度降低了水稻地上部砷的积累。在进一步的长期盆栽实验中,研究人员发现,敲除OsPT4基因降低了水稻籽粒中无机砷的比例,在突变体M2籽粒中无机砷的含量较其野生型对照下降了30%。这些结果说明,OsPT4基因在水稻AsV吸收转运过程中起到了关键作用,是介导水稻AsV吸收转运的关键蛋白。该研究为利用植物基因工程手段阻控砷在稻米中的积累提供了重要备选基因和可行途径。
图2 OsPT4在水稻砷转运中的作用机理。敲除OsPT4 显著降低了水稻根部对AsV的吸收和转运,增强了水稻对AsV的抗性并降低了水稻籽粒中无机砷的含量。

       这一研究成果于2017年10月12日在线发表于环境科学领域重要期刊《Environmental Science & Technology》(doi: 10.1021/acs.est.7b03028)。该研究工作的第一作者为曹越博士,通讯作者为陈焱山副研究员,马奇英教授为共同作者。研究得到了南京农业大学徐国华教授课题组的支持与帮助,得到了江苏省青年基金(Grant No. BK20160649),国家重点研发计划(Grant No. 2016YFD0800801)以及国家自然科学基金(Grant No. 21707068 and 21637002)的资助。

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