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砷是广泛分布于自然界中有害的类金属元素。近几十年来,人类活动如采矿、冶炼、含砷除草剂和杀虫剂的使用及含砷废水灌溉等,导致土壤受砷污染日愈严重,尤其是南亚和东南亚地区的农田土壤。污染农田土壤中的砷不仅影响农作物的生长,还会增加农作物可食部位砷的积累。水稻作为主食是亚洲国家人口无机砷摄入的主要来源,减少砷在水稻体内及籽粒的积累是非常重要的。土壤中砷的形态主要以五价砷[As(Ⅴ)]和三价砷[As(Ⅲ)]的无机形式存在。好氧条件下,主要以As(Ⅴ)形态存在,土壤中的As(Ⅴ)可以被植物根系磷酸盐转运蛋白吸收。厌氧条件下,As(Ⅲ)是主要的形态,植物根系可以通过一些水通道蛋白吸收As(Ⅲ)。植物根系将吸收的As(Ⅴ)迅速还原为As(Ⅰ),还原的As(Ⅲ)一部分被根系外排到介质中,一部分As(Ⅲ)与根系细胞质中的植物螯合素(PCs)螯合后储存在液泡中进行解毒,其余部分As(Ⅲ)在木质部装载运输到地上部。然而,植物对砷积累和耐性的分子机制目前仍不完全清楚。已有研究表明,不同水稻品种间砷积累和耐性差异很大,但具体是哪些基因参与了砷积累和耐性过程仍不清楚。本文对植物砷的积累和耐性机制进行了探究,具体研究内容与结论如下:1.本文从水稻重组自交系群体入手,通过分析水稻籽粒和秸秆砷、镉及其它13种矿质元素含量,致力于检测出控制这些元素含量稳定的数量性状遗传位点(QTL)。将珍汕97B和密阳46构建的重组自交系群体分别在三种环境下进行田间栽培,采用QTL Cartographerver.2.5软件分析,检测到控制水稻籽粒和秸秆15种矿质元素含量的QTLs分别有56个和64个,检测到控制抽穗期的QTLs有8个,这些QTL分别聚集在21个基因组区域。其中3个QTLs在三种环境下均可以检测到,影响6种元素含量的14个QTLs在两种不同的环境下得到验证。另外,发现影响多种元素含量的QTLs之间存在共定位现象,本试验检测到的120个QTLs大部分与已报道的元素含量的QTLs存在共定位现象。2.此外,通过筛选水稻砷敏感品种,研究其砷积累和耐性的生理机理。从26个水稻自然变异品种中筛选出对As(Ⅴ)、As(Ⅲ)耐性均有差异的两个品种,对这两个品种砷的积累试验、根系对As(Ⅲ)动力学吸收试验、添加L-丁硫氨酸-亚砜亚胺(L-buthionine-sulphoximine,BSO,丫-谷氨酰半胱氨酸合成酶抑制剂)对As(Ⅲ)的耐性试验等生理试验进行分析研究。结果表明水稻品种W31比W0对As(Ⅴ)、As(Ⅲ)表现更敏感,W31根系合成非蛋白巯基化合物(Cys、GSH、PC2-4)能力低于WO,且W31根系和地上部积累砷含量更低。此外,水稻品种WO和W31构建的F2(W0 W31)代株系根系积累的总砷含量与其合成的非蛋白巯基化合物量存在极显著的正相关关系。综上,根系非蛋白巯基化合物合成能力可能是导致两个水稻品种耐砷和砷积累差异的主要原因。3.水稻半胱氨酸是合成PCs的前体,PCs是解砷毒害的重要物质。因此,我们研究了水稻半胱氨酸合酶OsOASTL-A1基因的功能及对砷积累和耐性响应。本文从水稻品种日本晴克隆出半胱氨酸合酶OsOASTL-A1基因,并以其作为研究对象,通过大肠杆菌cys-缺陷型突变菌株功能验证试验、蛋白体外酶活动力学试验、亚细胞定位和组织定位试验,结果表明OsOASTL-A1是定位于水稻细胞质的半胱氨酸合酶,将O-乙酰丝氨酸和硫化物合成半胱氨酸;该基因主要在根系成熟区的外表皮、木质部薄壁细胞表达,且受As(V)、As(Ⅲ)的诱导表达。因此,对该基因Tos17插入突变体和野生型进行生理水培实验,在As(Ⅴ)处理下,发现突变体根系合成的Cys、GSH、PC2-4含量均低于野生型的,同时突变体根系积累的总砷含量也低于野生型;此外,硫营养充足条件下加As(V)处理,突变体表现比野生型更敏感;土培试验发现,水稻OsOASTL-A1基因突变并不影响籽粒总砷、总镉含量。通过转基因拟南芥表达OsOASTL-A1进一步验证了OsOASTL-A1基因的功能及对砷、镉的耐性。综上,本试验结果表明水稻半胱氨酸合酶OsOASTL-A1通过介导根系非蛋白巯基化合物的合成来影响水稻砷的积累和耐性。4.为了鉴定拟南芥砷酸还原酶AtACR2和AtHAC1基因的功能,对拟南芥acr2、hac1和acr2hac1突变体进行生理试验,分析拟南芥对As(Ⅴ)的耐性、吸收、还原和积累。结果发现AtACR2并不具有还原As(Ⅴ)能力,而AtHAC1才是真正的砷酸还原酶,且AtACR2与AtHAC1并不发生互作。5.拟南芥作为模式植物,本文利用拟南芥进一步研究了砷的转运和耐性机制。利用不同的组合包括基因突变和异源表达(hac1 PvACR3、hac1 pho1、hac1 cad2-1、hac1 cad1-3)来研究拟南芥砷积累的效果,尤其是砷从根向地上部转运效果及对砷的耐性效果。通过拟南芥水培短期As(Ⅴ)吸收试验分析砷形态及在外源添加As(Ⅴ)的蛭石中和砷污染的土壤中进行长期砷吸收试验分析拟南芥地上部砷积累量,研究结果表明HAC1突变结合PvACR3表达显著增加拟南芥地上部砷的含量,而非蛋白疏基化合物是拟南芥耐砷的重要物质。综上所述,模式植物水稻和拟南芥根系合成非蛋白巯基化合物能力是根系对砷积累和耐性的重要因素,但对水稻和拟南芥地上部砷积累效果有限。