细胞壁耐铝的分子生理机制研究

铝毒是限制酸性土壤上作物生产的主要因素之一，世界上有30％以上，我国有近四分之一的土壤受酸性铝毒的影响。深入系统地研究植物耐铝毒的生理和分子机制是国际上植物营养、植物生理和分子生物学等学科研究的热点和焦点之一。近年来项目组成员围绕植物细胞壁在植物抗营养逆境中的作用及生理机制开展了足有成效的研究，取得了国际前沿性的研究成果。本项目针对国际上有关植物耐铝机制研究的薄弱领域，以植物细胞壁为研究核心，从细胞壁的多糖组分、蛋白组分及细胞壁组分与有机酸的互作效应等三个方面，深入系统地开展细胞壁在植物耐铝机制中的作用机制研究。相信通过这几个方面的研究，可望在植物耐铝毒的生理和分子机理上取得一些具有创新性的研究成果，进一步丰富植物耐铝机制的理论，加深对细胞壁在抗营养逆境中的作用的认识，同时也必将为其他元素的植物毒害和耐性机制研究提供借鉴和指导。

铝毒是世界公认的酸性土壤上限制作物生长的主要限制因素，世界上大约三分之一的耕地，我国近四分之一的耕地为酸性土壤。植物细胞壁是第一个接触生长介质中的Al的植物组织，它不仅是维持细胞形状和机械强度的重要组织，同时也是外界物质进入细胞内的第一道屏障。我们按原计划从细胞壁组分、细胞壁蛋白和有机酸与细胞壁互作三个方面开展研究，在细胞壁组分与耐铝性的分子生理机制研究方面取得了突破性进展。. 以玉米、水稻、荞麦、饭豆和拟南芥为材料，阐明细胞壁中的果胶含量及甲酯化程度对铝敏感性影响；鉴于去除细胞壁中的果胶后细胞壁仍能吸持大量的铝，进一步的研究发现，细胞壁的半纤维素是细胞壁吸持铝的主要位点；以拟南芥细胞壁半纤维素相关突变体为材料，进一步探明了双子叶植物细胞壁合成相关基因XTH31和XTH15在调控植物抗铝性中的分子生理机制，发现半纤维素中的木葡聚糖可能在结合铝中起着十分重要的作用。这一成果将彻底改变人们对细胞壁半纤维素与植物体内元素间相互关系的认识，引领相关研究今后更加关注这个一直被忽视的细胞壁重要组分。这是本项目最富原创性的成果。.发现铝胁迫下水稻根尖果胶甲酯酶活性增强，且敏感性品种更为明显；通过研究铝胁迫对水稻根系35个果胶甲酯基因（PME1-35）表达谱的影响，找到了其中8个明显上调的PME基因，对其中的PME14基因进行超表达后，发现转基因水稻的PME活性上升，铝结合量增加，对铝变得更为敏感，为果胶甲酯酶参与铝胁迫响应提供了直接证据。. 以离体和活体细胞壁为材料，证明了细胞壁可以与铝诱导分泌的苹果酸、柠檬酸和草酸互作，并由此导致细胞壁对铝吸持量的明显下降。一个重要发现是，三种有机酸尽管对铝的螯合常数相差较大，但在降低细胞壁对铝的吸持能力上却具有极相似的作用，这也较好地解释了不同植物在铝胁迫下虽然分泌不同的有机酸，但其检测到的分泌到培养介质中的有机酸量不能很好解释其耐铝性差异的实质。.此外，我们还利用已建立的研究平台，拓展了细胞壁在磷－金属元素互作以及激素对元素在体内再利用等方面的研究，取得了一些有意义的成果。. 已发表标注SCI论文8篇(IF>3的7篇)，还有5篇在修改或投稿过程中（2篇IF大于5），总量肯定将达到10篇以上；已发表的论文中，包括1篇植物科学顶尖期刊Plant Cell论文。在高质量论文发表的数量上已超过了预期目标，在IF10左右的论文上有突破