丛枝菌根真菌吸收转化砷的分子机制研究

It has been well documented that arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can adapt to arsenic(As) contaminated soil and form symbiotic associations with higher plants. Obviously, for potential use of AMF in alleviation of As phytotoxicity and remediation of As contaminated soil, it is important to uncover the significance of AMF in shaping rhizosphere dynamics of As. However, up to date most of the relevant studies focused on the mycorrhizal effects on As uptake and accumulation by host plants but overlooked As uptake and transformation directly by AMF. Therefore, based on our previous work, this project aims to reveal the direct involvements of AMF in As uptake, reduction and methylation processes in the rhizosphere: Two known AMF aquaporins will be investigated for their potental service as the As(III) transport channel; Key functional genes in As transformation, arsenate reductase gene (arsC) and S-adenosylmethionine methyltransferase genes (arsM), will be cloned and characterized; Volatile efficiency of Trimethylarsine (TMA) by AMF will be assessed both in axenic culture and compartment cultivation systems.The project is expected to provide a deeper insight into the molecular mechanisms of As uptake and transformation by AMF and promote the potential use of AMF in bioremediation of As contaminated environments.

丛枝菌根真菌在砷污染土壤中普遍存在并与植物形成共生体系，研究丛枝菌根真菌对砷的吸收转化过程及机制，对于利用菌根真菌减轻植物砷毒害及修复污染土壤均具有重要意义。然而，已有的研究多限于考察菌根共生体系对植物吸收累积砷的影响，而缺乏对菌根真菌本身吸收转化砷的机理研究。基于前期工作基础，本项目拟以菌根真菌对砷的直接吸收、还原和甲基化过程为主线开展系统深入的研究：利用已知水孔蛋白基因研究菌根真菌吸收三价砷的路径；克隆菌根真菌中的砷解毒还原酶基因和甲基转移酶基因并验证基因功能；利用无菌培养装置和分室培养系统考察菌根真菌对三甲基砷的挥发能力。研究工作将在分子水平阐释菌根真菌吸收转化砷的机制，探讨菌根真菌将土壤中有毒的砷形态向无毒形态转化的应用潜能，从而为应用菌根真菌进行砷污染环境的生物修复奠定理论基础。

丛枝菌根真菌在砷污染土壤中普遍存在并与植物形成共生体系，研究丛枝菌根真菌对砷的吸收转化过程及机制，对于利用菌根真菌减轻植物砷毒害及修复污染土壤均具有重要意义。然而，已有的研究多限于考察菌根共生体系对植物吸收累积砷的影响，而缺乏对菌根真菌本身吸收转化砷的机理研究。基于前期工作基础，本项目以菌根真菌对砷的还原、甲基化和气态砷挥发过程为主线开展了系统深入的研究。项目顺利的完成了课题的研究目标，取得了以下主要的研究成果：成功克隆菌根真菌中的砷解毒还原酶基因（RiarsC）和甲基转移酶基因(RiMT-11)并验证了基因功能,在分子水平上明确了菌根真菌具有将五价砷还原为三价砷并甲基化为低毒的二甲基砷的能力；证明了菌根真菌具备产生并挥发三甲基砷的能力；菌根真菌能提高宿主植物磷转运蛋白基因MtPT4和金属硫蛋白基因MsMT2的表达；菌根真菌能降低非菌根植物根系的砷含量，提高其对砷的耐受。研究工作在分子水平上阐释了菌根真菌转化解毒砷的机制，探讨了菌根真菌将土壤中有毒的砷形态向无毒形态转化的能力。.此外，研究工作结合现实的环境问题和社会需求将研究内容向应用层面进行了扩展和延伸，利用菌根技术在稻米的安全种植以及菌根真菌的多样性研究方面开展了初步研究。取得了如下研究结果，选择砷耐受型水稻在旱作的条件下接种菌根真菌能极大的降低砷在水稻籽粒中的累积，降低人体稻米砷暴露的风险；接种菌根真菌和外源添加铁可协同抑制水稻地上部砷积累；明确了长期砷污染环境中菌根真菌的优势种属，为分离耐性菌株奠定了基础。该部分研究对于利用菌根技术修复砷污染土壤，保障粮食安全生产方面具有理论价值和实践指导意义。.基于本项目研究工作，目前已发表研究论文13篇（其中SCI收录8篇），申请专利2项，培养博士生2名，硕士生1名。