水稻Fe（Ⅲ）吸收功能缺失突變體Osnaat1的生理生化與分子生物學研究.pdf

1、我們從水稻Nipponbare EMS突變體庫中篩選得到一個生長發(fā)育受阻,根構(gòu)型改變,不能利用Fe(Ⅲ)(檸檬酸-Fe(Ⅲ))的水稻突變體。通過圖位克隆的方法,克隆到該突變基因為水稻Fe(Ⅲ)吸收代謝途徑中合成DMA(麥根酸)的關(guān)鍵酶--OsNAAT1(LOC_Os02g20360)。而DMA是用來螯合Fe(Ⅲ)以供植物根系吸收Fe的載體(Phytosiderophore),因而,該基因的突變使Osnaatl的根系不能再合成、分泌DMA

2、,使Fc(Ⅲ)不能吸收；并造成DMA合成底物NA大量在根部和地上部分積累。但是,OsNAAT1的突變并沒有使突變體完全失去Fe的吸收能力。實驗證明它能利用溶液中的Fe(Ⅱ)(EDTA-Fe(Ⅱ))或者淹水土壤中富含的Fe(Ⅱ)進行正常的生長發(fā)育。這個事實也為水稻是即可以利用Fe(Ⅲ)也可以利用Fe(Ⅱ)的禾本科植物提供了突變體材料證據(jù)。同時,OsNAAT1的突變,反而可以刺激水稻中Fe的吸收,使淹水條件下栽培的水稻秸桿、稻米尤其是精米中

3、Fe、Zn等金屬元素的含量同野生型相比大大提高。 在有Fe(Ⅱ)提供的培養(yǎng)條件下生長時,水稻基因芯片分析結(jié)果表明:Osnaatl中Fe(Ⅲ)吸收代謝、轉(zhuǎn)運途徑中的相關(guān)基因仍在相當大的程度上被上調(diào)。另外,即使是野生型在Fe(Ⅱ)為Fe供應(yīng)形式的培養(yǎng)條件下,分泌的DMA量也比其在Fe(Ⅲ)培養(yǎng)條件下分泌的量要高很多；Fe(Ⅲ)吸收機制相關(guān)基因也被上調(diào)。這在一定程度上說明了水稻中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的吸收之間存在較為復雜的關(guān)系。一方

4、面,水稻Fe(Ⅲ)吸收減少或吸收途徑的破壞,能促進Fe(Ⅱ)吸收機制的增強,使Fe的運輸效率和積累能力得以提高；另一方面,水稻吸收Fe(Ⅲ)可能與Fe(Ⅲ)在水稻中特殊的氧化-還原地位有關(guān),Fe(Ⅲ)有可能通過Fenton反應(yīng)生成一部分O2,緩解淹水條件下水稻根系所受的低氧脅迫損害。因此,Fe(IlI)的吸收,極有可能為水稻在淹水環(huán)境下抵抗低氧逆境而能正常生長提供了一定的保護作用。 在Fe(Ⅲ)為供Fe源并Pi缺乏的溶液培養(yǎng)中,

5、突變體的表型也得以恢復。ICP-MS分析表明：這種條件下,Osnaatl中的Fe、Zn元素含量較不缺Pi的條件大大提高。而基因芯片分析結(jié)果卻顯示：在缺Pi且存在Fe(Ⅲ)條件下生長的Osnaatl中,已知的Fe(II)和Fe(Ⅲ)吸收途徑中的相關(guān)基因都較Fe(Ⅲ)且供Pi的條件受到了不同程度的抑制,暗示缺Pi條件下,可能存在目前不為人所知的Fe的吸收、運輸機制。在水稻中,Pi的吸收和Fe的吸收或者Pi和Fe的信號轉(zhuǎn)導之間可能存在著密切的

6、互作關(guān)系。 OsNAAT1的突變還導致植株根部乙烯合成、釋放增加,而地上部分乙烯合成減少,當對根部試用乙烯合成或作用抑制劑時,突變表型得到一定程度的緩解。另外,Osnaatl在透氣性好的土壤中生長時,同樣可使一部分突變性狀得到改善。從基因芯片的結(jié)果中,我們可以看出,根部的乙烯合成酶OsACO1被上調(diào),很多與氧化還原反應(yīng)以及植物體內(nèi)O2運輸、代謝,低氧脅迫誘導相關(guān)的基因被上調(diào)。而當提供Fe(II)時,植株Fe營養(yǎng)得到改善后,這些現(xiàn)象即消失