硫酸根离子对水稻三价砷转运的调控机制研究

Arsenic pollution and insufficient effective sulfur of soil are common problems in developing countries. Earlier studies have found the phenomenon that rice is specific to the absorption and accumulation of arsenite (As(III)) , and the application of sulphur can reduce the content of arsenic in rice. On the basis of our previous studies “The mechanism of migration and transformation for different forms of arsenic in rice”, this project carry out nutrient solution culture experiment, by means of Atmospheric Pressure Matrix-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time of Flight Mass Spectrometry (AP-MALDI-TOF-MS) and Liquid Chromatography Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LC-ICP-MS), under the condition of sulfate regulation, the speciation and distribution of arsenic in rice root subcellular structures will be research, the key enzyme of arsenic translocation and its gene expression, and the expression of As(III) transport related genes will be observed. The effects of sulfate on the regulation of As (III) transport in rice will be analysised. The possible mechanism of sulphur effect on the transport of As (III) in rice will be researched. The results of this study will provide theoretical basis and technical support for the rational application of sulphur and reduce the arsenic concentration and toxicity of rice, and also, it has important practical significance to maintain the sulfur nutrition balance of farmland soil and to utilize the arsenic contaminated soil.

土壤砷污染和有效硫不足是发展中国家普遍存在的问题。前期研究发现水稻对三价砷（As(III)）吸收积累具有特异性且施硫降低水稻中砷含量的现象。本项目拟在项目组前期“水稻不同形态砷迁移转化机制”研究的基础上，采用营养液培养试验，借助高分辨光学显微与质谱联用、形态分析等技术手段，研究硫介导下As(III)胁迫水稻中的砷在水稻根尖亚细胞结构的存在形态及分配特征、参与砷转运关键酶及其基因的表达、As(III)转运相关基因表达，分析淹水条件下硫酸根对水稻As(III)转运的调控作用，揭示施硫影响水稻As(III)转运的可能机制。为合理施用硫素以降低水稻砷富集及毒性提供理论依据和技术支撑，同时也对维持农田土壤的硫营养平衡，及砷污染土壤的修复和有效利用具有重要的实践意义。

砷（As）是一种致癌的有毒类金属元素，过多的砷暴露不仅严重抑制植物的生长发育，还会通过食物链的富集作用危害人体健康。水稻是我国的主要粮食作物，相比较其他谷类作物，其对砷的吸收、富集能力更强。有报道指出，硫素的施用不仅可以提高农作物品质和产量，同时也可增强植物的耐逆能力和减少作物重金属的富集。本项目研究不同浓度SO42-介导As（Ⅲ）胁迫下砷在水稻中的积累、分配、代谢特征及相关巯基化合物及关键酶的活性以及水稻As（III）吸收、转运、隔离基因的表达，揭示施硫调控水稻砷富集的内在机制，为维持农田土壤的硫营养平衡及砷污染土壤的修复和有效利用提供理论依据和技术支撑。获得的主要结果如下：.1）施用SO42-能缓解高砷胁迫对水稻的毒害作用，提高各组织生物量，降低各组织对砷的富集，且抑制效应随SO42-浓度的提升效果更佳。在低砷（2 μmol/L）胁迫下，水稻的株高、生物量等指标无显著差异；高浓度砷（10 μmol/L）条件下则会抑制水稻的生长，降低水稻各组织的鲜重，对水稻的正常生长产生毒害，高砷的抑制效应随便SO42-处理浓度的提升逐渐得到缓解。不同浓度砷胁迫下，SO42-处理能显著降低水稻各组织对砷的富集，且随着SO42-处理浓度的提升，其处理效果更加强烈。.2）施用SO42-能增强水稻巯基代谢，提升植物螯合肽合成效率，潜在强化了各组织对砷的隔离作用，进而降低了组织中砷的活性和迁移性。砷胁迫下，外源SO42-处理显著提升了水稻各组织中Cys、NPT、GSH和PCs的含量、CS、GR和GST的酶活性以及PCs合成基因OsCdPCS1和砷隔离基因OsABCC1的表达，显著缓解了高砷胁迫对水稻的毒害作用以及水稻各组织对砷的隔离作用，抑制了组织中砷的移动性，进而潜在降低了砷向水稻地上部的迁移。.施用SO42-能降低根系砷吸收基因的表达，减少根系对砷的吸收，潜在降低了水稻地上部砷的富集。砷胁迫下，外源SO42-处理显著抑制了水稻根系中三价砷吸收基因OsLsi1、OsLsi2基因的表达，其抑制效应因SO42-处理浓度的提升效果更佳，但对OsNRAMP1表达影响不大。