水稻中砷含量QTL的克隆及基因功能研究

Arsenic pollution is one of the major heavy metal pollutes in current argriculture systems. This heavy metal enters into food chain after uptake and accumulation in crops, which threatens argricultural product safety and human health. Rice is the most important crop in China. It is of great significance to study the molecular and genetic basis underlying variation in arsenic content in rice for limiting entrance of arsenic into food chain and for increasing food safety. QTL mapping is an important tool for studying functional genes of plant, and has great potential in identification of functional genes controlling arsenic content. We have screened various rice species, varieties and cultivars, and revealed that Oryza glaberrima contains much higher arsenic than other accessions. We then constructed a set of Chromosome Segment Substitution Lines with O. glaberrima as fragment donor and 95-22 as recipient, and roughly mapped two major QTLs controlling arsenic content in leaves and grains. Based on these results, we will clone the major QTLs by combining QTL mapping and ionomics, and study their gene functions, working mechanisms and regulatory networks. This project may shed light on understanding of the molecular mechanisms in regulating arsenic migration and accumulation of rice, and will guidance for low arsenic rice breeding using strategies like marker-assistant selection.

砷污染是当前农业生产中最主要的重金属污染之一。它通过农作物的吸收积累进入食物链，严重威胁着农产品品质安全和国民身体健康。水稻是我国最为主要的粮食作物，揭示水稻中控制砷含量的分子遗传基础对于阻控砷向食物链迁移，增强食品安全具有重要意义。QTL定位是植物功能基因研究的重要手段，因而在水稻砷含量控制基因的克隆鉴定上也具有很大潜力。我们通过筛选水稻品种资源发现，非洲稻与亚洲栽培蹈品种相比具有极高的砷含量。我们利用以高砷品种非洲稻为供体、以低砷粳稻品种95-22为受体的染色体片段置换系进行进一步的鉴定，初步定位了两个控制叶片和籽粒砷含量的主效QTL。本项目拟以此为基础，结合QTL定位和离子组学的研究克隆相应的主效QTL，研究它们的基因功能、作用机制及调控网络。本项目对理解水稻砷元素迁移积累的分子机理具有重要意义，并为通过分子标记辅助育种等手段培育低砷水稻品种提供指导。

本项目通过筛选水稻品种资源发现，非洲稻与亚洲栽培蹈品种相比具有极高的砷含量。我们利用以高砷品种非洲稻为供体、以低砷粳稻品种95-22为受体的染色体片段置换系进行进一步的鉴定，初步定位了两个控制叶片和籽粒砷含量的主效QTL。由于可能的环境变异或者基因上位性问题，砷含量QTL精细定位失败，但却在砷含量QTL区间发现了一个镉含量的QTL，因此转而利用这个群体精细定位并克隆了该镉含量QTL CDC8。进行了进一步的基因功能分析表明，该QTL编码了一个C2H2 zinc finger类型的转录因子，并通过控制多个重金属转运蛋白表达来控制镉离子的吸收和运输。此外，本项目也对控制水稻砷含量基因OsHAC1;1以及OsHAC1;2进行了功能和分子机制研究，阐明了这两个基因编码的砷酸盐还原酶通过将砷酸盐还原成亚砷酸盐排除根部的机制，限制砷元素在地上部的积累。进一步的研究还发现，这两个基因的超表达不仅可以降低稻草的砷含量，同时也可以有效降低水稻籽粒砷的含量，表明这两个基因具有较强的潜在应用价值。总之，本项目不仅有助于我们理解水稻中重金属镉和砷的积累调控机制，同时对于培育低重金属水稻品种也具有重要的理论指导意义。