水稻根系半纤维素结合铝的主要多糖组分及其调控分子机制

Al toxicity is one the key factors limiting crop productivity in acid soils. Cell wall is the first site to contact with Al when the plant roots are growing, and when the cell wall binds Al, it causes the damage of its structure and functions. Our previous studies have proved that cell wall hemicellulose is the main component to retain Al in both dicots and monocots plants, and xyloglucan is the major polysaccharide to bind Al in Arabidopsis, a typical dicots model plant. Therefore, it is highly desirable to know what is the main polysaccharides in the monocots to bind Al in the cell wall. The current project will use the rice cultivars differring in Al resistance and 95 introgression lines developed from an elite indica rice cultivar "Teqing" and a common wild rice "Yuanj", which have been shown difference in the hemicellulose compositions, and try firstly to establish the relationship between the hemicellulose components and Al binding capacity and Al resistance. Then, we will search for the genes involved in the bisynthese of the above polysaccharides identified, and get the expression profiles under Al treatment in the root tips, by which we can identify the key genes possibly related to the special polysaccharides biosynthesis and Al binding. Finally, we will creat RNAi or overexpression lines or buy corresponding T-DNA mutant lines to confirm the relationship among gene expressions, key polysaccharide contents, Al content in hemicellulose and Al resistance, and identify polysaccharides contributing to Al binding in cell wall and Al resistance in rice. With the above results, we can deep our understanding of the role of hemicellulose in Al resistance in monocots plants.

酸性土壤上的铝毒是限制作物产量的主要因素。细胞壁在植物根系生长过程中首先接触铝，而细胞壁结合铝后其结构与功能遭到破坏。水稻是抗铝性最强的禾谷类作物，我们的研究证明，无论单子叶还是双子叶植物，半纤维素都是累积铝的主要组分，且木葡聚糖是双子叶植物细胞壁半纤维素结合铝的主要组分，因此，解明以水稻为代表的单子叶植物半纤维素结合铝的主要组分及其分子机制是非常有意义的研究命题。本项目拟以抗铝性不同的水稻品种和半纤维素多糖组分有差异的水稻替换系ILs为研究材料，通过半纤维素多糖组分与其结合铝量和抗铝性间的关联分析确定能结合铝的主要组分，在此基础上，鉴定与上述组分合成相关、在根尖表达且受铝诱导的基因，并利用T-DNA插入或RNAi干扰和过表达手段，验证上述基因与相关多糖组分合成和抗铝性之间的关系。上述研究可望弄清水稻细胞壁半纤维素多糖结合铝的主要组分及其调控的关键基因，丰富对单子叶植物抗铝机制的认识。

酸性土壤上的铝毒是限制作物产量的主要因素。细胞壁在植物根系生长过程中首先接触铝，而细胞壁结合铝后其结构与功能遭到破坏。水稻是抗铝性最强的禾谷类作物，我们的研究证明，无论单子叶还是双子叶植物，半纤维素都是累积铝的主要组分，因此，解明以水稻为代表的单子叶植物半纤维素结合铝的主要组分及其分子机制是非常有意义的研究命题。从中筛选得到了耐铝性有明显差异的第69号渗入系材料，但生理分析却表明该株系抗铝性的提高与细胞壁结合铝的组分及有机酸分泌无关，说明可能拥有其他新的抗铝机制。目前已构建了该材料与特青的回交材料，图位克隆工作正在进行中。由于无法从图位克隆的途径得到抗铝性与水稻细胞壁组分合成相关的基因，我们选取了若干与水稻细胞壁组分葡聚糖和木聚糖合成相关（CSLF CESA中的CLSD），以及糖基转移酶家族（GT）基因等进行了转基因功能验证，发现与水稻葡聚糖合成相关的OsCSLF1，2，6，9基因在拟南芥中超表达后均可降低根系铝的累积，并提高转基因植物的抗铝性；开展了作为单子叶半纤维素主要组分木聚糖的乙酰化修饰及其对植物抗铝性的研究工作，发现了MPK6-TBL7-木葡聚糖乙酰化之间的作用途径；此外，我们还利用内源生长素水平改变的水稻突变体材料，拓展了生长素通过调控水稻细胞壁半纤维素结合铝的能力，从而影响水稻抗铝性的研究。通过上述研究，我们进一步解析了除我们实验室研究发现的木葡聚糖含量、结构及其修饰对半纤维素结合铝的影响之外，其他纤维素和半纤维素多糖组分及其修饰对植物抗铝性的影响，进一步丰富了细胞壁纤维素和半纤维素组分调控植物抗铝性的认识。项目执行期间已发表1篇标注SCI论文，其它相关研究成果将会陆续发表。