水稻NRAMP家族基因在Mn和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)中的功能研究.pdf

1、水稻是全世界最重要的糧食作物之一，提高水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)是科研工作者們一直奮斗的目標(biāo)。然而，隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染日益突出，不少耕地重金屬的超標(biāo)成為了糧食安全的巨大威脅。所以，研究水稻積累重金屬的機(jī)理，進(jìn)而為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的綠色水稻提供思路和線索，具有重要的意義。錳(Mn)是植物生長(zhǎng)必需的微量礦質(zhì)元素，植物缺Mn或攝入過(guò)量的Mn均會(huì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育;鎘(Cd)是植物生長(zhǎng)非必需的礦質(zhì)元素，對(duì)幾乎所有生物體都有嚴(yán)重的毒害作用。本研究通過(guò)對(duì)水

2、稻中三個(gè)NRAMP基因的功能研究，發(fā)現(xiàn)并鑒定了它們?cè)贛n和Cd的吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)上發(fā)揮的功能。主要結(jié)果如下:
　　我們對(duì)OsNRAMP5的功能研究發(fā)現(xiàn)，OsNRAMP5除了在水稻根中有很高的表達(dá)之外，還在穎殼、葉片等組織表達(dá)，且OsNRAMP5在葉片的表達(dá)會(huì)隨著葉齡的增加而降低。基于啟動(dòng)子融合GUS的染色和原位雜交的顯微觀察，OsNRAMP5被發(fā)現(xiàn)在根和地上部維管束系統(tǒng)的表達(dá)遠(yuǎn)高于其它部位，而在維管束的表達(dá)主要集中在木質(zhì)部附近的薄壁細(xì)胞

3、。對(duì)OsNRAMP5的功能缺失突變體osnramp5分析發(fā)現(xiàn)，osnramp5在低Mn情況下長(zhǎng)勢(shì)嚴(yán)重受阻，植株體內(nèi)Mn積累含量遠(yuǎn)低于野生型。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，即便osnramp5突變體根中積累了遠(yuǎn)高于野生型根中的Mn濃度，依然不能將Mn有效地轉(zhuǎn)移到地上部中去，這說(shuō)明OsNRAMP5突變阻斷了Mn從根往地上部運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程。另外，在低Mn的情況下，osnramp5突變體根中Fe濃度遠(yuǎn)高于野生型。我們通過(guò)對(duì)目前已知的重要Fe轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因進(jìn)行表達(dá)

4、量分析，發(fā)現(xiàn)osnramp5突變體中Fe積累高于野生型是由于突變體根中OsNRAMP1、OsIRT2、OsYSL2以及Os YSL15這四個(gè)Fe相關(guān)基因的顯著上調(diào)引起的。水稻中Mn和Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著的拮抗現(xiàn)象，但OsNRAMP5功能缺失后，拮抗作用則不明顯，這說(shuō)明這種Mn和Cd的拮抗是由OsNRAMP5參與引起的。對(duì)種質(zhì)資源中OsNRAMP序列多樣性分析還發(fā)現(xiàn)OsNRAMP5在自然進(jìn)化中非常保守并受到了很強(qiáng)的純化選擇。
　　

5、通過(guò)對(duì)OsNRAMP的功能分析，我們發(fā)現(xiàn)OsNRAMP3特異性地在水稻維管束系統(tǒng)表達(dá)，且表達(dá)主要集中在韌皮部細(xì)胞。OsNRAMP3編碼一個(gè)定位于細(xì)胞質(zhì)膜的蛋白，且該蛋白在酵母中具有由胞外向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)Mn2+的活性。當(dāng)OsNRAMP在水稻中功能缺失時(shí)，植株會(huì)在低Mn情況下長(zhǎng)勢(shì)顯著弱于野生型，而在正常或更高M(jìn)n供應(yīng)情況下與野生型之間沒(méi)有明顯的表型差異。功能缺失突變體osnramp3在低Mn供應(yīng)下的表型主要表現(xiàn)在幼葉和幼根根尖的嚴(yán)重壞死，而老葉

6、沒(méi)有表型。然而元素測(cè)定顯示，低Mn供應(yīng)下突變體幼葉中的Mn濃度并不低于野生型，這說(shuō)明幼葉中的Mn缺乏癥狀是由于Mn分配不均引起的。另外，與野生型相比，osnramp3突變體將更多的Mn積累在老葉中。簡(jiǎn)言之，OsNRAMP3是一個(gè)維管束特異表達(dá)的Mn轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與了韌皮部介導(dǎo)的Mn在老葉和幼葉片中的分配。
　　我們對(duì)OsNRAMP6的功能分析顯示，OsNRAMP6編碼的蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)膜，并在酵母中具有Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性而不具有Mn2