水稻NADPH氧化酶OsRbohB调控根表铁膜形成的机理研究

Rhizosphere pH plays an important role in iron plaque formation, and then affects the chemical behavior of other heavy metals. To further understand the biological mechanism of iron plaque formation is important to prevent the toxicity of ferrous ion and other heavy metals entering the food chain in acidic soil. Based on the results that rhizosphere pH affects the iron plaque formation by regulating root apoplast H2O2 and the NADPH oxidase OsRbohB which is an important source of H2O2 is significantly induced by rhizosphere pH, the aim of this project is to characterize the biological functions of OsRbohB and its effect on the uptake of iron and cadmium by rice. The main researches include: 1) to analyze its expressions in tissue, cellular and subcellular levels in rice roots and measure the contents of iron and cadmium in different tissues and organs; 2) to explore the effect of OsRbohB on the activation of apoplast iron by determining the content of phenolics and the expression of the key genes of phenylpropane metabolism in different transgenic plant roots. 3) to explore the effect of OsRbohB on ferric oxidation by determining the content of ferreous and ferric iron and peroxidase PRX activity in on root surface. The study will elucidate the underlying physiological and biochemical mechanism of iron plaque formation under the regulation of NADPH oxidase OsRbohB.

根际pH是影响水稻根表铁膜形成的重要因素，并影响其它重金属元素的化学行为。研究根际pH调控水稻根表铁膜形成的生物机制对解决酸性土壤中亚铁离子毒害及阻控其它重金属污染进入食物链具有重要意义。在前期研究中证明根际pH通过调控根表质外体H2O2影响铁膜的形成，其中水稻根系中NADPH氧化酶OsRbohB是H2O2重要来源，并显著受根际pH诱导。因此本项目拟通过构建OsRbohB超表达和敲除材料，研究OsRbohB调控根表铁膜形成的分子机制及对铁、镉吸收的影响。主要研究内容为：1）OsRbohB组织和亚细胞定位，并测定超表达及敲除材料中不同组织器官铁、镉的含量；2）测定不同转基因材料根系酚酸含量及苯丙烷代谢关键基因的表达量，探究OsRbohB对质外体铁活化的影响；3）测定根表质外体二价铁及三价铁含量和过氧化物酶PRX活性，探究OsRbohB对质外体二价铁氧化的影响。

挖掘水稻中控制镉吸收转运的关键基因，对于解析水稻镉吸收转运的理论基础，有效削减稻米中镉的累积和保障稻米的安全生长具有重要的理论和现实意义。镉通过木质部向地上部转移是决定水稻地上部和籽粒镉积累的主要过程，因此限制镉向地上部运输是降低籽粒镉累积的关键。但是目前发现的关于调控镉长途转运的基因集中在转运蛋白的功能研究，尚无上游信号因子调控镉转运的研究。本项目以水稻NADPH氧化酶基因OsRbohB为研究对象，并通过调查该基因的组织表达模式、亚细胞定位和构建OsRbohB敲除材料，研究OsRbohB对镉吸收和转运的影响及作用机制。取得的主要结果如下：水稻中NADPH氧化酶因OsRbohB主要在根系及地上部的维管组织中表达，亚细胞定位于细胞膜。通过OsRbohB基因敲除研究其生物学功能表明OsRBOHB影响了水稻离子组含量，其中对镉、锌的转运呈现出同步趋势，敲除该基因造成水稻地上部镉、锌含量同步升高，而根系中镉含量显著低于野生型水稻。但是敲除该基因对镉的吸收总量无显著影响，说明OsRBOHB主要调控了镉从根向地上部的长途转运。通过转录组和q-PCR实验表明镉处理显著下调了锌镉转运蛋白基因OsZIP5、OsZIP7的表达，但是rbohb突变体中OsZIP5、OsZIP7和OsHMA2的表达量显著高于野生型，这一结果说明OsRBOHB通过负调控锌、镉转运蛋白基因OsZIP5、OsZIP7和OsHMA2的表达直接影响镉从根向地上部的转运；此外，rbohb突变体根系及细胞壁中镉含量显著降低，进一步研究表明镉处理促进了根系果胶的合成，但是rbohb突变体根系中离子结合性果胶和共价结合型果胶含量均显著低于野生型，说明OsRBOHB通过正调控果胶的合成和改变细胞壁果胶组分，促进细胞壁对镉的吸附能力，从间接影响镉从根向地上部的转运。基于以上结果，本项目揭示了水稻NADPH氧化酶基因OsRbohB调控镉从根向地上部长途转运的生理及分子机制，并为降低水稻籽粒镉的累积提供优异的基因资源。