水稻NIP水通道蛋白向籽粒运输砷的功能解析

Rice is a major source of inorganic arsenic intake for Chinese population due to the fact that paddy rice has a strong ability to accumulate arsenic in the grain. Contamination of paddy soils in some areas of southern China further exacerbates the problem, thus threatening food safety. Previous research by the applicant has led to the discovery that arsenite and methylated arsenic species are taken up by rice roots via its strong silicon uptake pathway. However, little is known about the pathway and mechanisms of arsenic transport from the above-ground tissues to the grain. Based on our previous work, we hypothesize that three NIP aquaporins（NIP1;1、NIP2;2、NIP3;3）may be involved in transporting arsenic species to the grain. In this project, we will investigate the role of the three NIP aquaporins using mutants, RNAi or over-expressing lines of the three genes. Distribution of arsenic and the related elements, silicon and boron, will be investigated using synchrotron X-ray fluorescence, secondary ion mass spectrometry and HPLC-ICP-MS at the tissue, cellular and sub-cellular levels. The expression profiles of NIP genes in different tissues and in response the supply of arsenic, silicon or boron will be quantified. The transport activities of the three NIP aquaporins and the relationship between the structure of their ar/R selectivity filter and function will be examined using the Xenopus heterologous expression system. Cellular and sub-cellular localization of the NIP aquaporins will be investigated with the promoter-GUS or GFP expression technique. The project aims to dissect the biological functions of three NIP aquaporins, which should provide a sound theoretical basis for reducing arsenic accumulation in rice grain.

水稻具有较强的砷吸收、累积能力，稻米是我国人口无机砷摄入的最主要来源。我国南方部分稻田受砷污染较为严重，危害农产品安全。申请人在前期研究中发现水稻根系通过硅酸吸收途径吸收亚砷酸和甲基砷，但砷在水稻地上部组织向籽粒运输的途径仍不清楚。根据前期工作，我们提出了三种不同类型的NIP水通道蛋白（NIP1;1、NIP2;2、NIP3;3）可能参与砷向籽粒运输的假设。本项目将通过获取三种NIP基因突变株、RNAi、过量表达材料，结合同步辐射X-射线荧光、二次离子质谱和液相色谱-质谱联用等技术，解析三种NIP通道蛋白在无机砷和甲基砷及相关元素硅、硼向籽粒运输的作用；测定不同组织NIP基因表达谱及对砷、硅、硼供应的响应；采用蛙卵异源表达系统研究NIP通道蛋白ar/R选择性过滤器结构与功能的关系；采用启动子-GUS和GPF表达技术明确三种基因的细胞、亚细胞定位。本项目有望为阻控稻米砷累积提供理论基础。

由于水稻具有较强的砷吸收与累积能力，稻米是我国人口无机砷摄入的最主要来源。我国南方部分稻田土壤受砷污染较为严重，导致稻米累积更多砷，危害农产品安全。申请人在前期研究中发现了水稻根系可通过硅酸吸收途径的两个转运蛋白（OsNIP2;1、OsLSi2）吸收亚砷酸和甲基砷，但是水稻吸收与运输砷的分子机制仍然不甚清楚。在本项目中，我们研究了三种不同类型的NIP水通道蛋白（OsNIP1;1、OsNIP3;2、OsNIP3;3）在水稻吸收及运输三价砷的作用，研究了OsLsi2在水稻节上对砷向穗子分配的作用，并采用正向遗传的方法研究了水稻吸收和忍耐五价砷的机制。研究结果表明，OsNIP1;1、OsNIP3;2、OsNIP3;3均为定位于细胞质膜的蛋白，具有对三价砷的透性，OsNIP3;3还具有一定的硅酸透性；OsNIP3;2在水稻侧根表达水平较高，敲除该基因显著降低三价砷吸收及侧根中砷的积累，但对水稻地上部砷积累影响较小；水稻根系中OsNIP1;1和OsNIP3;3表达水平较低，敲除这两个基因对三价砷吸收无显著影响，但过量表达这两个基因显著降低三价砷通过木质部向地上部运输和籽粒砷积累；筛选到两个耐五价砷的突变体，通过测序和连锁分析证明为两个OsPT8的等位突变体，吸收五价砷能力比野生型降低一半，证明OsPT8是水稻吸收五价砷的重要途径，其表达水平的差异可解释水稻品种日本晴与Kasalath对五价砷吸收能力的差异；OsLsi2在水稻节上强烈表达，OsLsi2突变体向籽粒分配的砷比例下降，向剑叶分配的砷比例增加，说明该转运蛋白对水稻地上部节中砷的分配起重要作用；此外，本项目还完善了利用同步辐射X-射线荧光和纳米尺度二级离子质谱表征植物细胞中砷及其它矿质元素分布的方法。通过本项目研究，进一步揭示了水稻吸收和运输砷的分子机制，发现了通过过量表达OsNIP1;1或OsNIP3;3可显著降低水稻砷积累，为降低稻米砷含量提供了新的基因。本项目共发表SCI论文7篇（包括第一标注论文4篇），其中一篇为Web of Science高被引论文，申请中国发明专利两项。