小G蛋白OsRab6a在水稻铁营养中的功能研究

Iron (Fe) is one of the essential nutrients for plant growth and development. Plant growth is often limited by low availability of Fe in soil due to its low solubility, especially in calcareous soils. The molecular component and signaling pathway for the Fe homeostasis remains to be clarified. Small GTPase is a key molecular switch for the modulation of many plant-specific signaling pathways and functions. However, there has been no study to investigate the function of small GTPase in Fe acquisition in plants. In our previous studies, we characterized a novel small GTPase, OsRab6a, in rice. The expression of OsRab6a was up-regulated by Fe deficiency in both shoots and roots. RNAi knockdown of OsRab6a reduced the seedling growth under Fe-deficiency medium. In this project, we will attempt to determine the ability of GTP binding, measure the GTPase activity, identify the effectors of OsRab6a，and localize its subcellular location. The aim of this project is to elucidate the mechanisms underlying adaptation of rice plants to Fe deficiency by evaluating the roles of OsRab6a in response to Fe deficiency using the transgenic rice plants. The results will advance our knowledge on the function of small GTPases in sensing and responding to mineral stress in general and low Fe availability in particular.

铁是植物生长和发育必需的微量元素之一。土壤中有效铁的含量较低，因此植物在生长和发育过程中经常面临缺铁胁迫影响。目前关于植物响应和适应缺铁胁迫信号的转导途径和调控网络的研究较少。小G蛋白在植物的信号转导途径中发挥着非常重要的作用，但在水稻铁营养过程中的研究还未见报道。在前期研究中我们从水稻克隆了一个受缺铁诱导的小G蛋白OsRab6a，其RNAi转基因水稻株系对缺铁胁迫非常敏感。本项目将在此基础上，通过ＧＴＰ结合和ＧＴＰａｓｅ活性测定等实验分析OsRab6a的生化特性；寻找OsRab6a的辅助蛋白；确定OsRab6a的亚细胞定位，刻画该基因的功能。同时将以水稻为研究对象，利用转基因技术手段，揭示OsRab6a参与水稻铁营养过程的生理和分子作用机制。本项目将填补小Ｇ蛋白在水稻铁高效利用研究方面的空白，对进一步解析水稻铁营养的信号转导途径与调控网络具有重要意义，为培育铁高效利用的水稻提供技术支撑。

铁是植物正常生理代谢必需的微量元素。根据植物铁吸收形式的不同，可以将植物分为机理Ⅰ和机理Ⅱ植物。水稻等禾本科植物属于机理Ⅱ植物，它们通过向根际空间分泌大量的植物铁载体来鳌合Fe3+；同时，水稻还具有吸收Fe2+的能力。小G蛋白在植物的逆境胁迫信号转导途径中发挥着非常重要的作用，但在水稻吸收转运铁元素过程中是否发挥作用还未见报道。本项目成功地从水稻中分离克隆了小G蛋白OsRab6a基因，并通过创制超表达和RNAi沉默转基因水稻株系，系统研究了该基因在水稻吸收利用铁元素过程中的作用和调控机制。研究发现，小G蛋白OsRab6a定位在细胞质和细胞核中，它的表达受到缺铁处理的诱导。在正常的生长条件下，野生型和转基因水稻在表型上没有明显差异。在缺铁条件下，超表达OsRab6a转基因水稻的生长状况要比野生型好，其株高、生物量、叶绿素含量以及根、茎和种子的铁含量均比野生型高，而RNAi沉默转基因水稻的生长状况则比野生型差。进一步研究发现，与野生型和RNAi沉默转基因水稻相比，超表达OsRab6a转基因水稻具有更为发达的根系结构。在超表达OsRab6a转基因水稻中，与铁吸收转运相关的一些关键基因——OsIRO2、 OsIRT1、OsNAS1 和 OsNAS2的表达量也明显增加。这些研究结果对解析水稻适应低铁环境的生理和分子机制具有重要意义。此外，我们还比较了东北稻区广泛种植的两个粳稻品种——东稻4号和吉粳88适应盐碱环境的生理和分子机制。研究发现，东稻4号具有更为高效的铁吸收转运能力，从而显著提高了它的抗盐碱能力。该研究对解析水稻适应盐碱生境的机制具有重要意义。上述研究结果均已在国际主流植物学杂志Plant and Cell Physiology和Journal of Experimental Botany上发表。