水稻水通道蛋白OsNIP1-2解铝毒的机理研究

Aluminum is the most abundant and widely distributed metal element in the earth's crust. Aluminum toxicity is also the most important limiting factor for crop growth in acid soil. Rice OsNIP1-2 is an Aluminum transporter and play important roles in Al detoxification according to our previous research. Its transporting function of aluminum and transporting substrate form will be studied in vitro and in vivo combine with NMR, ICP-MS, heteoexpression in yeast and Xenopus oocytes, and molecular biology technologies. We will also explore the structure-activity relationships of OsNIP1-2 with CNS software simulation and site-directed mutagenesis methods; Its expression patterns and subcellular localization will be analyzed by histochemistry and Confocal laser scanning microscopy techniques; Together with CRISPR/Cas9 and aluminum distribution in wild type/mutant rice plants, the function and mechanism of OsNIP1-2 in internal Aluminum detoxification will be elucidated. The results will not only enrich the molecular mechanism of plant tolerant to aluminum, but also be benefit to phytoremediation of metal contaminated soil by biotechnology and plant extraction methods.

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，铝毒也是酸性土壤中农作物生长最主要的限制因子。申请者前期研究发现水稻OsNIP1-2具有转运铝的功能，在水稻解铝毒中发挥重要作用，但其作用机理尚不清楚。为此本项目拟结合核磁共振、ICP-MS、酵母及爪蟾卵母细胞中异源表达、分子生物学等方法与技术表征、解析OsNIP1-2转运铝的底物形态；利用CNS软件模拟结合定点突变技术分析OsNIP1-2结构与功能间的构效关系；采用激光共聚焦显微技术及组织化学方法分析其亚细胞定位和表达特性；利用CRISPR/Cas9基因敲除技术和突变体/野生型水稻各部位铝含量的变化，确定OsNIP1-2参与的铝转运、分配过程，明晰其解铝毒的机理，并建立作用模型和结构改造方案。本研究不仅可以丰富植物抗铝毒的内在机制，还有利于通过生物工程、植物提取等技术来修复金属污染土壤的发展。

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，铝毒也是酸性土壤中农作物生长最主要的限制因子。水稻作为最耐铝毒的农作物之一，全球约13% 的水稻种植在酸性土壤中。然而，近年来的研究表明水稻的抗铝性与有机酸的形成分泌无关，说明水稻内部存在着更为重要的耐铝机制。. 本研究结果表明，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得的水稻osnip1-2突变体比野生型水稻对铝毒胁迫更为敏感，说明OsNIP1-2参与了水稻内部解铝毒过程；进而通过ICP-MS技术分析了水稻各部位铝含量的变化，发现水稻osnip1-2突变体根系细胞壁铝含量比野生型水稻的高，而细胞质中的铝含量比野生型的低，且木质部伤流液和地上部的铝含量也比野生型的低，说明OsNIP1-2参与了将细胞壁中铝向细胞质转运和将根部的铝向地上部转移分配的过程；进而将水稻OsNIP1-2在酵母中异源表达，结果显示OsNIP1-2能提高酵母对铝毒的敏感性，同时由于其定位在细胞膜上，说明OsNIP1-2通过转运铝进入酵母细胞，而增加了对细胞的毒性，使其变得敏感；进而利用不同底物形态的铝饲喂酵母细胞，然后检测酵母细胞内的铝含量变化，初步发现Cys-Al作为底物时，OsNIP1-2转运的效率比以离子态的铝为底物时高，说明OsNIP1-2转运铝的底物形态为Cys-Al；构效关系分析表明OsNIP1-2关键结构域NPA和Ar/R对其转运功能发挥起着关键作用；总之，本研究不仅丰富了植物耐铝的分子机制，还为进一步通过结构改造用于金属污染土壤的生物修复奠定了基础。.