水稻和高粱硅结合蛋白控制硅沉积功能的转基因验证

近几年来，大量的研究已经充分地证明，硅可明显提高禾本科植物的机械强度，增强其对病虫害、干旱、盐害及重金属胁迫的抗性；但是，产生这些抗性的分子机制还不清楚，主要原因在于，人们不了解植物体内与硅代谢相关的蛋白质和基因，这已经严重阻碍了人们对硅的生理功能的进一步研究,也无法通过分子遗传手段对硅的沉积过程进行调控。我们经过几年的研究发现，水稻叶片和高粱根系的硅体中包含着与硅紧密结合的蛋白质，称之为硅结合蛋白，体外实验证明它们具有很强的催化硅酸聚合的能力，预示其可能在植物体内控制硅的沉积代谢过程，但目前还缺乏强有力的活体转基因遗传证据。拟用水稻为转基因受体材料，通过RNAi干扰、基因过表达和启动子GUS融合基因表达技术来验证硅结合蛋白基因的时空表达特征与硅沉积的关系。这将在作物抗逆性状的分子改良方面具有重要的应用前景，同时对硅生理功能的基础研究也有极大的促进作用。

近几年来，大量的研究已经充分地证明，硅对保证植物和人类的健康具有重要的作用。硅可提高作物的产量，增加其机械强度，提高其对病虫害、干旱、盐害及重金属胁迫的抗性。但是，产生这些抗性的分子机制还不清楚，主要原因在于，人们不了解硅在植物体内的沉积代谢过程及其相关的蛋白质和基因，这已经严重阻碍了人们对硅的生理功能的进一步研究,也无法通过分子遗传手段对硅的沉积过程进行调控。本项研究的主要进展是，我们发现高粱体内硅结合蛋白的分布和表达量与硅的分布和沉积量密切相关；我们进一步用转基因方法证明高粱硅结合蛋白在不积累硅的拟南芥中的表达能明显促进硅在拟南芥根中的积累。这对于进一步应用硅结合蛋白基因去改良其它重要粮食作物对硅的吸收与沉积，提高植物抗倒伏、抗病虫侵染的能力，具有重要的指导意义。这是首次在分子水平上揭示硅沉积的机制。..研究的主要结果如下：.1.高粱根中硅转运蛋白基因主要在根尖0-4cm区域表达，缺硅条件下表达明显上调；高粱根中硅结合蛋白基因主要在根基部4-10cm成熟区表达，在加硅条件下表达明显上调。根中硅的沉积主要在基部，说明硅的积累部位与硅结合蛋白的表达部位相重合，而与硅转运蛋白的表达部位不一致。.2.用扫描电镜观察了硅在高粱根内皮层细胞壁上积累动态，发现加硅后4小时以后硅颗粒首先出现在高粱根内皮层细胞壁的纹孔周围，以后逐渐增大形成明显凸起的半球形硅聚集体。硅的这种积累模式与硅结合蛋白的时空表达特征相吻合。.3.高粱叶片中硅结合蛋白主要分布在哑铃型硅细胞、纤维细胞、气孔保卫细胞以及泡状细胞，与此相对应，硅体染色反应显示硅的分布与硅结合蛋白的分布完全吻合。.4.在加硅条件下硅结合蛋白的表达主要受硅的调控，机械胁迫和盐胁迫对它的影响较弱；在缺硅条件下机械胁迫促进硅结合蛋白的表达而盐胁迫抑制硅结合蛋白的表达。.5.我们获得了有力的分子遗传证据，证明将高粱硅结合蛋白基因转入拟南芥可使拟南芥根中的硅含量增加将近一倍。