水稻耐铝毒基因ALS7的功能分析与分子机理

In recent years, soil acidification and the degree of aluminum(Al) toxicity of crop planting area in china are becoming more and more serious so that Al toxicity is one of the most limiting factors for crop production. However, rice shows high tolerance to Al among the small-grain cereal crops. But the molecular mechanisms underlying are poorly understood. Therefore, to elucidate the molecular mechanism underlying rice Al tolerance is very important for fundamental research and production practice. Previously, we have cloned a candidate gene ALS7 involved in rice Al tolerance by a modified MutMap method. Sequence analysis reveals that ALS7 encoding an unknown protein is a new Al tolerance gene. In this project, we mainly study molecular mechanism of ALS7 involved in rice Al tolerance by means of genetics, cytology, and molecular biology. Moreover, we will analyze physiological phenotypes of als7 art1 double mutant created by the CRISPR/Cas9 technology to unravel their roles and relationships in rice Al tolerance, and further improve the regulatory network involved in rice Al tolerance. Through this project, we will lay a foundation for a deeper understanding of the molecular mechanism of high Al tolerance in rice and provide gene resources and theoretical basis for genetic improvement of Al tolerance in rice and other crops.

铝毒已成为限制作物产量的主要因素之一。然而，水稻是最耐铝毒的小谷粒禾本科农作物之一，但对其耐铝毒机制仍知之甚少。因此，开展水稻耐铝毒机制的研究，对阐明其耐铝性的分子机制具有重要理论价值，也为提高其他作物的耐铝性提供重要理论指导。前期我们利用改进的MutMap方法克隆到耐铝毒候选基因ALS7，并发现该基因编码一个未知功能的蛋白与已报道的耐铝毒基因都不相同。本项目在此基础上，运用遗传学、细胞学、分子生物学等技术手段重点解析耐铝毒基因ALS7在水稻耐铝毒中的分子机理；同时，利用CRISPR/Cas9基因敲除技术构建als7和art1的双突变体，通过对双突变体生理表型的分析来确定它们在水稻耐铝毒过程中的相互关系，进一步完善水稻耐铝毒基因调控网络。本项目的实施将为深入认识水稻高耐铝性形成的分子机理奠定基础，为水稻和其他作物耐铝性的遗传改良提供基因资源和理论依据。

铝毒已成为限制作物产量的主要因素之一。然而，水稻是最耐铝毒的小谷粒禾本科农作物之一，但对其耐铝毒机制仍知之甚少。因此，开展水稻耐铝毒机制的研究，对阐明其耐铝性的分子机制具有重要理论价值，也为提高其他作物的耐铝性提供重要理论指导。前期我们利用改进的MutMap方法克隆到耐铝毒候选基因ALS7，并发现该基因与已报道的耐铝毒基因都不相同。本项目在此基础上，运用遗传学、细胞学、分子生物学等技术手段重点解析耐铝毒基因ALS7在水稻耐铝毒中的分子机理，我们主要得到以下结果：1）确定了突变体的铝敏感表型是由ALS7上发生了点突变造成的，ALS7编码一个半型的ABC转运蛋白；2）表达分析发现ALS7主要表达在根中，并受铝诱导；3）确定了ALS7能与以报道的耐铝基因STAR1互作；4）ALS7与STAR1形成复合物定位于液泡上；5）在酵母中共表达ALS7与STAR1能增强酵母的耐铝性。以上结果说明了ALS7与STAR1形成一个全型ABC转运复合体并定位于液泡膜上，把细胞质中铝转运到液泡中从而起到解铝毒的作用。本项目的结果揭示ALS7在水稻耐铝毒中的分子机理。这不仅提高了人们水稻高耐铝性形成的分子机理的认识，也为水稻和其他作物耐铝性的遗传改良提供基因资源和理论依据。