TaPCR2调控Zn/Mn/Cd转运及籽粒大小的机制研究

Triticum aestivum is one of the most important crops in the world. Currently, deficiency in the essential elements (Zn/Mn), the accumulation of toxic elements (Cd) has become a potential threat to food quality. The gene about heavy metal transportation or grain size regulation has been reported, but the gene with the two kinds of function is rarely studied. Plant cadmium resistance gene (PCR) can not only transport heavy metals such as Zn, Mn and Cd, but relates with fruit sizes and cell number. In view of the above problems, the Chinese spring acts as the wheat object. TaPCR2 was isolated. It was studied by analysis of gene expression characteristic, substrate properties and transport activity, heavy metal chelating chromatography, determination of grain size and weight, heavy metal contents and velocity of ions in root meristem. The gene expression of various tissues in wheat and the response to heavy metals were tested. It was elucidated that TaPCR2 should regulate plant Zn/Mn/Cd translocation and grain accumulation. The regulation of TaPCR2 on grain size and weight was explored. It provides a theoretical basis for cultivating high quality and yield in wheat by molecular design breeding.

小麦（Triticum aestivum）是世界上最重要的粮食作物之一。然而目前小麦生长所必需微量元素（锌/锰，Zn/Mn）的缺乏、有毒微量元素（镉，Cd）的累积已成为粮食品质安全潜在的威胁。参与作物重金属转运或调节籽粒大小的基因均有报道，但同时具有这两种功能的基因却鲜有研究。植物镉抗性基因PCR能转运重金属Zn、Mn和Cd等，且与植物果实大小和细胞数目有关。本研究以中国春小麦为材料，克隆了小麦镉抗性基因2（TaPCR2），将通过基因表达特性分析，底物特性和转运活性分析、重金属螯合层析、籽粒大小和重量的测定、重金属含量及在根分生区离子的流速分析等对TaPCR2的功能进行较深入的研究，明确其在小麦各组织中的表达量及重金属响应情况，阐明TaPCR2调控植物Zn/Mn/Cd转运及在籽粒中累积的分子机制，探究TaPCR2对籽粒大小的调控方式，为分子设计育种培育优质高产小麦提供理论依据。

有毒重金属严重影响作物的生长发育并累积在籽粒中，对人体健康构成潜在威胁。该研究为探究重金属对小麦等作物的毒性作用及分子机制并研究关键重金属转运蛋白。在研究中，我们以二倍体小麦、普通小麦及黑麦草为材料进行生理生化指标、形态观察和基因功能分析。结果显示Cd处理小麦幼苗地上和地下部脯氨酸和谷胱甘肽含量增加。叶尖损伤较轻，而根尖的损伤严重，根系分泌物增多。转录组分析表明，Cd处理5d后，地上和地下部的差异表达基因明显多于Cd处理2d后的结果，且地上和地下部的DEGs明显不同。KEGG分析表明，Cd处理后富集的为“DNA复制”和“苯丙类生物合成”两个代谢通路。这些结果为小麦对Cd毒害反应提供了信息，为降低Cd毒性和保护作物安全提供了基因资源。细胞数量调节蛋白（CNR）具有调节细胞数目和器官大小的功能，与植物镉抗性蛋白具有较高的序列相似性。因此，CNR可能参与调控重金属的转运。从小麦中分离得到TaCNR2、TaCNR5和TuCNR10。实时荧光定量PCR显示，在重金属胁迫处理下，幼苗地上和地下部基因的表达量增加。过表达CNR的拟南芥和水稻增强对重金属胁迫耐受性，促进重金属离子从地下到地上部的转运。与野生型水稻相比，过表达CNR的水稻籽粒中有毒元素含量较低，而微量元素含量较高。这些结果表明，CNR可以用于作物微量元素强化和降低有毒金属累积的遗传资源。一年生黑麦草作为牧畜作物，由于其生物量大，且能够累积重金属，可以作为潜在的土壤修复植物。我们发现了高Cd耐性（LmHC）和低Cd耐性（LmLC）两种黑麦草品种，LmLC根中吸收Cd离子的速度快于LmHC，且地上和地下部的Cd含量高于LmHC。通过转录组比较分析显示ABCG37、ABCB4、NRAMP4、ABCB21、HMA5的表达水平在LmLC中高于LmHC，这些转运蛋白可能参与Cd向细胞内的转运，从而增加了植物体内Cd的累积，这也使得LmLC遭受更大的Cd毒性，因此抗逆性较弱，但其通过改良可作为潜在的Cd超累积植物。但之后的研究中发现，在其他重金属如Co、Pb、Ni处理下，LmLC的耐受性显著强于其他品种，这些研究的目的可以帮助寻找潜在的植物修复资源改良重金属污染土壤，鉴定出的抗性相关基因将成为分子育种的重要资源。