丛枝菌根真菌Rhizophagus intraradices降低旱稻根部镉吸收转运的机理研究

The low cadmium (Cd) accumulating upland rice cultivars (Hanyou 3) and arbuscular mycorrhizal fungus (Rhizophagus intraradices, RI) that could further reduce Cd uptake selected by our previous study are employed in this project based on high Cd risk of farmland in China. The aims are to: (1) study the effects of RI on Cd uptake knetics in symplast and apoplast pathway of upland rice in terms of time scale and concentration gradient of Cd; (2) explore the relationships between symplast pathway (Cd transporters gene expressions, cytoplasmic phytochelatins contents, Cd-chelates structure) and low Cd uptake by RI; (3) elucidate the significance of cell wall components and their modifications on decreasing Cd uptake by RI, as well as the structure of Cd binding components based on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS); and (4) investigate the role of permeability, components and structures of apoplastic barriers on low Cd uptake of mycorrhizal roots. The results will be valuable in revealing that the role of RI on reducing Cd uptake and transport (symplast/apoplast pathway) in upland rice. It will also provide important insight into rice growing in Cd contaminated soils and scientific basis for the safe quality of upland rice.

本项目针对我国农田镉（Cd）高风险区，以前期筛选获得的Cd低累积旱稻品种旱优3号和能进一步高效降低其Cd吸收累积的丛枝菌根真菌菌种（Rhizophagus intraradices，RI）为研究对象，从时间尺度和Cd浓度梯度研究RI影响旱稻根部共质体途径和质外体途径Cd吸收转运的动力学机制；探讨共质体途径（Cd转运蛋白基因表达特征、胞质内植物螯合肽含量、Cd螯合物形态与结构）与菌根降低Cd吸收累积的关系；查明细胞壁组分及其修饰对RI降低旱稻根部Cd吸收的作用，并利用同步辐射X-射线吸收精细结构等技术，揭示RI对细胞壁与Cd结合的形态与结构功能影响；探讨质外体屏障通透性、组分及其结构的时空发育在RI降低Cd吸收累积中的作用，从而阐明RI降低旱稻根部Cd吸收转运（共质体/质外体途径）的作用机理，为经济高效利用Cd污染土壤生产安全农产品提供科学依据。

在社会经济的不断发展和人们生活水平迅速提高的同时，日益严重的全球环境问题，给人类可持续发展带来了前所未有的挑战，农产品安全问题越来越受到重视。稻米Cd污染对人类健康的影响已成为日益普遍的社会问题。面对大面积Cd污染的稻田，物理、化学修复方法成本高昂，修复后生态功能难以恢复，而生物修复方法具有修复时间长的显著缺陷。通过筛选、研究和培育能够“出污泥而不染”的污染物低累积作物品种，是最为经济有效方法，是确保农产品质量安全的重要策略。本人前期研究已鉴定出Cd低累积旱稻品种（旱优3）和可进一步降低该品种Cd累积的共生丛枝菌根真菌（RI）。但是，其低累积的机制仍然不明。本项目以旱稻（旱优3号）和丛枝菌根真菌（RI）为研究对象，在Cd胁迫下，研究了接菌RI对旱稻阻隔、吸收、累积Cd的机制。研究主要从共质体（跨膜通道蛋白）和质外体（细胞壁组分）两条运输途径进行研究。利用植物生理生化、转运通道蛋白基因分析、细胞壁组分表征、Cd荧光定位等手段，发现接菌RI不仅提高旱稻生物量，而且调控、平衡和优化Cd胁迫下旱稻抗氧化系统；显著降低运输Cd的跨膜通道蛋白基因（OsNarmp5和OsHMA3）表达量，增加土壤Cd固持量；接菌RI增加细胞壁组分中果胶、纤维素、木质素含量，PME酶活性提高从而增加细胞壁孔隙度、羟基和羧基官能团，提供更多细胞壁内的Cd固持和吸附位点，进一步减少通过共质体途径的Cd含量。综上所述，接菌RI可系统性改善旱稻应对Cd胁迫，包括1）改善环境因素（增加土壤Cd固持）、2）优化植物抗氧化系统平衡、3）调控共质体吸收转运途径（跨膜通道蛋白）、及4）质外体吸收转运途径（细胞壁固持）。因此，本项目从共质体和质外体两条运输途径剖析了RI可系统性调节旱稻自身及其生长环境，明确了关键调控过程，阐明了主要影响因素，为后续推广丛枝菌根真菌应用奠定了坚实的理论基础，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。