水杨酸在水稻籽粒镉积累调控中的信号作用及其机制研究

Cadmium, a major heavy metal pollution in farmland and rice grain in China, has been listed as the key research by the World Health Organization. Salicylic acid (SA) is an important signaling molecule, and plays an important role in plant signal transduction and regulation of plant responses to abiotic stresses. In the previous studies, our research results showed that exogenous SA could significantly reduce the content of cadmium in rice grain but had no effect on the agronomic traits of rice, but the specific physiological and molecular mechanism of SA regulating cadmium accumulation in rice grain is not yet clear. This project will use high grain-cadmium -accumulating rice cultivar Xiushui 110, Nipponbare and SA hydrolytic enzyme transgenic lines for experimental materials, and the pot and field experiments will be used with 1.0 mg/kg cadmium pollution condition, to investigate the specific mechanism of SA signal transduction pathway involving in the regulation of cadmium accumulation and translocation in rice grain under exogenous SA treatments. Thus, this project will provide technical support for the safety production of rice grain in mild cadmium contaminated soil, and provide theoretical guidance for the cultivation of new crop varieties with low cadmium accumulation in edible parts using the modern molecular biotechnology.

镉是我国农田和稻米污染较为严重且普遍的主要重金属元素，已被世界卫生组织列为重点研究的食品污染物和人类致癌物。水杨酸（salicylic acid，SA）是备受关注的重要信号分子，在植物信号转导以及调控植物响应多种非生物胁迫中发挥着重要作用。本课题组前期研究表明外源施加SA可显著降低稻米中镉的含量且对其农艺性状无影响，但其调控稻米镉积累的具体生理分子机制尚不清楚。本项目将以稻米镉高积累的水稻品种秀水110、日本晴及其转SA水解酶的日本晴转基因株系为材料，采用盆栽与大田试验相结合，在1.0mg/kg 镉（国家三级污染标准）污染条件下，利用外源SA处理研究SA信号转导途径参与调控稻米中镉积累转运的具体作用机制。项目研究不仅为实现中轻度镉污染土壤上稻米的安全生产提供技术支撑，也为利用现代分子生物技术来培育可食部位镉低积累的作物新品种提供理论指导。

近年来，我国土壤重金属污染日趋严重，给粮食生产安全和人民健康带来严重危害。水杨酸（SA）是备受关注的重要信号分子，在调控植物响应多种非生物胁迫中发挥重要作用。本项目以秀水110等为材料，分析1.0 mg•kg-1 Cd污染下，外源喷施SA与SA合成抑制剂（AOPP）对水稻Cd积累的影响，以及SA信号参与调控稻米Cd积累的具体机制。发现1.0 mg•kg-1 Cd胁迫显著抑制水稻生长。外源SA处理有效缓解Cd对水稻的毒害，并显著降低糙米中Cd含量。同时，SA处理显著增加水稻体内SA水平，降低H2O2积累，增强抗氧化酶SOD、POD、CAT等酶活。我们研究了SA对SA信号转导关键调控因子以及重金属转运基因表达的影响。发现Cd胁迫下，SA处理能显著上调SA合成酶（OsPAL、OsICS1）以及SA关键正调控因子OsNH1、OsWRKY45的表达，下调负调控因子OsWRKY70、OsWRKY7的表达。Cd胁迫下，重金属转运基因OsNRAMP1、OsHMA3、OsLCT1、OsPCR1、OsLCD等表达均上调，OsMTP11表达下调。我们进而采用CRISPR/Cas9技术研究了OsNH1和OsWRKY45在SA降低稻米Cd积累中的功能。发现Cd处理下，nh1突变体节、叶及稻穗的Cd含量均低于野生型植株。SA处理进一步降低了节、叶及稻穗中的Cd含量。nh1、wrky45突变体叶片中OsLCT1的表达下降，可能调控了Cd从叶片向籽粒中的转运。以上结果表明，OsWRKY45和OsNH1通过调控重金属转运体OsLCT1，在SA降低稻米Cd积累的信号传导中发挥重要作用。该项目研究不仅有助于揭示SA阻控稻米Cd积累的分子机理，可为实现中轻度Cd污染土壤上稻米的安全生产提供技术支撑。