根尖生长素运输蛋白PIN2增强植物铝耐性的生理与分子机制

植物忍耐铝毒胁迫有多种机制，报道较多的是有机酸解铝毒机制，仍有许多耐铝机制没被发现。我们近期研究发现，铝胁迫时，拟南芥生长素运输蛋白PIN2突变体比其对照材料根长短、活性氧累积多，铝敏感性高，推测PIN2蛋白与铝耐性有关，然而其作用机制并不清楚。本项目以不同铝耐性的水稻、拟南芥及其突变体为材料，利用实时定量PCR仪分析PIN2的时空表达特性。借助共聚焦激光显微镜测定根尖PIN2蛋白的内吞作用和铝的内置化。并克隆水稻根尖OsPIN2基因，利用RNA干涉技术，定向培育不同PIN2表达量的植株材料，借助荧光光谱仪和核磁共振仪表征PIN2与Al的相互作用，系统评价PIN2蛋白在铝内置化过程中的作用。在此基础上，借助生长素离子选择电极，测定根尖细胞生长素浓度，分析铝内置化对生长素运输的影响，进一步明确PIN2蛋白增强植物铝耐性的内在机制，该研究结果可为定向选育耐铝毒的作物品种提供科学依据。

铝的毒害作用被认为是酸性土壤中限制作物生长的重要因素之一。生长素及其运输在根尖生长过程中扮演着重要角色。铝影响了根尖生长素及其代谢过程，进而抑制根尖生长。然而，生长素及其运输蛋白PIN2是如何响应铝毒胁迫并不清楚。本项目按计划，以拟南芥和水稻为研究材料，分析根尖生长素运输蛋白PIN2与铝耐性的关系。结果显示，铝处理明显增强拟南芥根尖分生区和过渡区AtPIN2基因的转录表达，并促进AtPIN2蛋白在细胞膜上累积。进一步发现，AtPIN2缺失突变导致拟南芥对铝更敏感，其可能机制是AtPIN2缺失突变影响了根尖铝内置化和抗氧化能力。铝处理增强水稻根尖OsPIN2基因表达和OsPIN2::GUS表达。这表明，根尖OsPIN2参与了水稻应答铝毒响应过程。在此基础上，深入研究了超表达OsPIN2对水稻耐铝特性、铝胁迫条件下水稻根尖生理变化以及根尖细胞铝分布变化的影响。此外，根据PIN2蛋白的细胞运输特征，借助荧光标记技术，结合化学药物处理，深入研究了根尖细胞PIN2蛋白、囊泡运输与铝内置化的关系。结果显示，超表达OsPIN2减轻铝处理对水稻种子根伸长的抑制作用和对水稻分蘖的抑制作用。深入研究表明，超表达OsPIN2减轻铝处理对水稻种子根伸长的抑制作用的机制为：超表达OsPIN2缓解了铝对根尖生长素运输的抑制，有效启动抗氧化系统和调节活性氧产生，进而减轻细胞膜和细胞壁氧化毒害；促进了根际生长素和质子分泌，有效缓解了铝诱发的细胞刚性硬化；加快了根尖PIN2蛋白相关的囊泡运输，促进根尖铝内置区室化，减少铝在细胞壁累积。这是本项目最富原创性的成果，丰富了学界对水稻耐铝特性的认识。本项目较好地完成了预期的研究内容。受本项目资助，在“Journal of Experimental Botany”“中国水稻科学”“植物生理学报”等发表论文7篇。获得授权国家发明专利2项，参加国际和国内学术会议2次。培养毕业博士1名，硕士研究生1名。