磷转运子基因在植物积累砷过程中的作用机理研究

去除土壤、水体等环境中的砷及减少农作物对砷的吸收和积累是降低砷污染危害的两个关键途径，对植物的砷吸收、转运及积累过程的分子机制的深入理解，将有助于这两个途径的成功。大量研究已证明土壤中的磷对砷吸收有重要影响，但由于磷在砷的吸收和转运的过程中表现出的作用极为复杂、甚至相互矛盾，传统的含量分析方法已难以作出解释，所以迫切需要从分子水平阐明两者间的关系。本项目选择从磷和砷在细胞膜及细胞内的转运载体- - 磷转运子的基因表达调控着手，采用基因克隆、转基因和RNA干扰等技术，从分子水平上直接研究植物体内砷吸收和转运过程的作用机制。在此基础上分析超积累和非超积累植物在砷吸收和转运过程中在基因调控机制上的差异，以期初步阐明砷在植物体内吸收和转运机制。本研究对于降低农作物的含砷量和构造转基因超积累植物用于修复砷污染都具有重要的理论和实践意义。

砷（As）污染是全球环境热点问题之一，并且如何治理砷污染是全世界共同面临的一个急需解决的难题。土壤中的砷进入植物后，通过食物链的富集作用可对人体健康造成危害。因此，研究植物砷的吸收和转运机制是砷污染植物修复治理的一个关键问题。砷和磷处于元素周期表同一族，它们具有相似的化学性质和结构，在植物的吸收过程中也有相互作用。为了充分认识植物吸收砷和磷的分子机理，本研究在分子水平上比较研究了超级累植物蜈蚣草和非超积累植物水稻的磷砷吸收和转运机制在基因调控机制上的差异。本研究的开展分为三步：.1、顺利构建蜈蚣草、水稻根细胞全长cDNA文库和PT序列的克隆，利用PT序列筛选上述文库获得植物PT基因全长cDNA的克隆（正在进行中），完成序列分析工作，向GenBank 数据库提交蜈蚣草和水稻PT基因。高效PT转运子目前已经成功克隆出4条，对于OsPT7已经完成测序，并证明和GenBank中的序列信息相似度达99%。.2、将水稻基因OsPT7转入酵母细胞中构建重组菌株，进行砷酸盐和亚砷酸盐的胁迫培养进行功能验证。研究结果表明OsPT7基因为诱导型的高亲和力磷转运子。此外，检测重组表达菌株在砷酸盐和亚砷酸盐环境下胁迫培养下的磷和砷的吸收和转运中的关系，证明水稻磷转运基因OsPT7可以有效地运送As（Ⅴ）跨膜进入酵母细胞，并且通过对As（Ⅴ）和P的吸收量测定发现二者的吸收具有协同关系。.3、分别比较研究磷元素对超级累植物蜈蚣草/非超级累植物水稻在不同浓度As(Ⅴ)/（III）胁迫后的分子响应机制。研究发现：磷的添加能够促进蜈蚣草和水稻叶与根对于As的富集，As、P两者吸收呈协同关系。随着As胁迫浓度增高，两种植物体内选取的涉及解毒和区室化基因表达量都上调，证明这些基因参与了植物对砷的富集和解毒过程。具体表现为缺磷条件下蜈蚣草以As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)以及As(Ⅲ)的外排为主要解毒机制，而有磷条件下蜈蚣草以砷的络合作用并将砷的络合物移至液泡区隔化为主要解毒机制；OsNIP2：2 （Lsi6）基因的表达与水稻地上部和根部As(III)的积累有明显的正相关。对抗氧化系统酶活性测定发现，添加磷加剧了蜈蚣草和降低了水稻的膜质过氧化程度；蜈蚣草抗氧化酶的活性与生长情况呈正相关的变化趋势，并且添加磷能降低抗氧化酶的活性；无磷条件会加剧水稻根部的膜质过氧化损伤并诱导了抗氧化基因和相关解毒基因的表达上调。