OsMTP基因调控水稻锰代谢的分子机制研究

Manganese toxicity is a major problem for plant growth in acidic soils, what affects the safety of rice production. Currently，cellular mechanisms that facilitate growth in such conditions have not been clearly delineated. Using forward genetics strategy, we have screened a Mn -tolerant mutant, Osmtp, from EMS-induced rice mutant library that is hypertolerant to high Mn. OsMTP is isolated using map-base cloning technique which encode an unknown protein. Functional complementation assay demonstrate that osmtp phenotype caused by loss-of-function of OsMTP. Bioinformatic analysis reveal that four OsMTP orthologs were found in rice genome. Using both forward and reverse genetics strategies, this project mainly study the function of OsMTP family by phenotypic analysis, physiological and biochemical and genetics technique, finally reveal what roles do the OsMTP family play in manganese metabolic pathway and provide a theoretical basis and genetic resources for breeding Mn tolerant rice varieties in acidic soil.

酸性土壤上锰含量过高，水稻易受锰毒害，是酸性土壤制约水稻生产的主要因素之一，影响水稻的安全生产。目前，有关植物调控锰离子吸收代谢及耐锰毒害的生理和分子机制研究并不多。我们前期利用正向遗传学策略，从水稻EMS诱变突变体库中筛选到了一耐锰毒害的突变体（osmtp），该突变体在高锰浓度溶液中能正常生长。通过图位克隆技术成功克隆了该基因，并编码一功能未知蛋白。转基因功能互补实验结果表明突变体的表型是由OsMTP点突变造成的。生物信息学分析结果显示该基因在水稻基因组中有四个同源基因。本项目以耐锰毒害的突变体（osmtp）和突变基因OsMTP为研究对象，重点研究OsMTP及其同源基因家族在调控水稻锰代谢及耐锰毒害上的作用，最终揭示植物OsMTP基因及其蛋白家族调控水稻锰代谢的分子机制，为培育耐锰毒害的作物新品种提供理论基础和基因资源。

锰是植物必需微量元素，在植物光合作用，呼吸作用，蛋白质合成等过程发挥重要作用。但在锰过量时，特别是在酸性土壤中，会引起植物锰中毒。水稻锰毒害是酸性土壤制约水稻生产的重要因素。我们通过正向遗传学，从水稻EMS诱变突变体库中筛选到了耐锰毒害突变体（osmtp）， 并成功克隆到该基因，经序列比对发现该基因与已报道的OsSPR1基因为同一基因，为避免命名混淆，统一使用OsSPR1进行命名。本项目研究发现OsSPR1基因主要在叶片和叶鞘表达，且受锰胁迫诱导上调表达。通过过量表达OsSPR1基因获得3个超表达株系，表型鉴定发现OsSPR1超表达恢复了突变表型，正常生长条件下转基因水稻生长状况略优于野生型。锰胁迫试验发现OsSPR1超表达株系在4 mMol/LMn2+胁迫下叶片锰含量和锰累积量均显著低于野生型，而根系锰含量和累积量显著高于野生型，其锰转运系数显著低于野生型，说明高锰胁迫下OsSPR1超表达影响水稻锰由根系向地上部的转运。我们分析锰胁迫下水稻抗氧化酶活性的变化，发现OsSPR1超表达株系的POD，CAT酶活性高于野生型，这也是其耐锰胁迫能力提高的原因。比较了OsSPR1超表达株系和野生型中锰相关转运基因的表达差异，发现OsSPR1超表达株系中VIT2，CAX1，CAX3，YSL6，MTP8.1的表达量均低于野生型，说明OsSPR1可能通过调节水稻中锰相关转运基因的表达来减少锰由根系向地上部的转运。植物在受到逆境胁迫时会启动应激基因的表达来提高其适应胁迫环境的能力。研究发现OsSPR1超表达株系MYB2，DREB2A，bZIP23，P5CS1的表达量显著高于野生型，说明OsSPR1可以调节水稻应激基因的表达，进而增强水稻耐锰胁迫的能力。综上，我们解析OsSPR1基因增强水稻耐锰胁迫能力的可能机制有三个，一. 超表达OsSPR1基因降低锰由根系向地上部的转运能力，从而降低水稻受锰胁迫的风险。二. OsSPR1基因超表达增强水稻中抗氧化酶活性，进而提高水稻对锰毒害的耐受性。三. 通过调控锰转运基因和水稻应激基因的表达水平，来适应锰毒害。通过本项目的开展，为耐锰毒害水稻的分子育种提供新的候选基因和水稻材料。