凯氏带是高等植物内皮层细胞径向壁和横向壁上木质化和木栓化的带状增厚结构。它的特殊结构具有双向屏障的作用,一方面可以阻止水分和营养物质通过质外体途径进入中柱,迫使营养物质只能通过共质体途径和耦合跨细胞途径进入中柱,从而实现根对营养物质的选择性吸收;另一方面,它能阻止营养物质从中柱回流到皮层外而流入到土壤,以提高根对营养物质的吸收效率。此外,凯氏带也被证实在植物抵抗干旱、盐、重金属等胁迫过程中发挥重要作用。因此,深入研究植物凯氏带形成机理及其生理功能,可为作物的养分高效利用和抗性的遗传改良提供重要的理论指导。近年来,在模式植物拟南芥中,凯氏带形成机制及其生理功能已取得突破性进展。然而,水稻的凯氏带形成机制及其在养分选择性吸收中的作用机制仍然不明确。本研究利用反向遗传学的方法鉴定出水稻凯氏带膜结构域基因OsCASP1（Casparian strip domain protein 1）参与内皮层凯氏带的形成,通过分析OsCASP1的表达模式、亚细胞定位、组织定位以及突变体和过表达植株根中凯氏带相关的表型等,阐明了OsCASP1在水稻内皮层凯氏带形成过程中的分子机理,同时通过比较野生型、OsCASP1突变体和过表达植株的生理表型及离子组揭示了OsCASP1在水稻矿质元素选择性吸收中的关键作用。主要研究结果如下:（1）系统进化分析和氨基酸比对发现水稻中有五个凯氏带膜结构域蛋白基因OsCASP1-5,其中OsCASP1在根中表达水平最高,并且主要在距离根尖3-6 mm处表达。（2）GFP和木质素共染色实验表明OsCASP1首先均匀定位在内皮层细胞质膜上,然后逐渐聚集于内皮层细胞的垂周侧中央,形成OsCASP1微结构域。木质素也随之在OsCASP1微结构域积累,从而形成完整凯氏带。（3）通过对五个OsCASPs单基因突变体的根进行木质素和纤维素共染色分析表明OsCASP1突变影响了内皮层凯氏带的形成,但不影响外皮层凯氏带的形成;而OsCASP2、OsCASP3、OsCASP4和OsCASP5的单基因突变不影响根中凯氏带的形成。（4）五个OsCASPs基因中,仅OsCASP1突变导致植株茎中多种元素含量发生复杂变化,包括磷（P）、钙（Ca）、锶（Sr）的含量显著增加和砷（As）、镉（Cd）、铁（Fe）、锗（Ge）、锰（Mn）、锌（Zn）的含量降低。这些元素含量的变化严重抑制了水稻的正常生长。（5）硅（Si）吸收和Lsi1（Low silicon rice 1）的抗体染色实验表明OsCASP1突变并不影响Lsi1在根中的m RNA表达量,也不影响Lsi1的极性定位,但是降低了Lsi1在根内皮层的蛋白丰度,从而导致植株对硅吸收的效率降低。（6）对营养液培养的野生型和两个oscasp1突变体植株使用不同浓度的钙处理,结果发现oscasp1突变体植株的生长随着溶液中钙浓度升高受到明显抑制,而野生型植株的生长不受影响。元素分析表明突变体的茎和木质部汁液中的钙含量显著高于野生型,而且随着营养液中的钙浓度升高而升高。这些结果表明钙的过量积累可能是导致oscasp1突变体植株生长迟缓的主要因素之一。（7）OsCASP1过表达引起根中内皮层质外体屏障提前形成,抑制Ca2+通过质外体途径经过内皮层流入中柱并转运至地上部分累积,从而提高植株对高钙环境的耐受性。综上所述,本研究结果表明OsCASP1是水稻根内皮层凯氏带形成的关键基因,它在控制水稻根对吸收矿质元素选择性吸收中起着重要作用,尤其是对钙和硅的吸收。