氧化胁迫基因3的功能分析及其在水稻上的应用

OXS3 (OXIDATIVE STRESS 3) was recently discovered from Brassica juncea. Transformants expressing OXS3 or OXS3-Like cDNA exhibited enhanced tolerance to a range of metals and oxidizing chemicals, including As3+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ , Diamide and t-BOOH. OXS3 belongs to a family of proteins that only exists in plants and shares a highly conserved domain corresponding to a putative N-acetyltransferase or thioltransferase catalytic site. Mutations within this conserved domain abolished the ability of Arabidopsis thaliana OXS3 to enhance stress tolerance in S. pombe. A subnuclear speckling pattern related to the nucleosome in discrete parts of the chromatin was found in OXS3 protein by co-localization with histone H4. It is possible that OXS3 might act as a chromatin remodeling factor for the stress response. This project aims to clone the 10 orthologs genes of OXS3 in rice. Function of individual gene will be further studied, including concrete histone species which interacts with OXS3 protein and if the histone has been modified by mean of acetylation or methylation on certain amino acid residual. The relationship between the gene function and the cadmium accumulation will be investigated. The gene fragment will be generated and minimum size of fragment still hold the stress tolerance capacity will be further used to breed new rice germplasms with stress tolerance, especially on heavy metal.

氧胁迫基因3（OXS3）是新近从芥菜（B.juncea）中发现的一类胁迫耐受基因，它仅存于植物基因组中，具体功能未完全确定。该基因广谱抗重金属离子（包括镉，砷，铜和锌等）和抗氧化剂（二酰胺和四丁基过氧化氢）的胁迫。它含有一个高度保守的结构域，推测是N-乙酰转移酶或巯基转移酶的催化位点。定点突变该位点将使该基因的抗逆功能散失。OXS3成斑点样分布于核小体上，并与组蛋白H4共定位，推测OXS3可能作为一个调节因子在遭遇逆境胁迫时重构染色质来调控相关基因的表达。在水稻中OXS3基因家族有10个成员，本项目拟克隆并鉴定出水稻中主要的OXS3基因成员，研究其与镉积累的关系，及尝试通过基因工程手段培育广谱抗胁迫兼低镉积累的水稻新品系。此外，也将进一步解析该基因的功能，包括阐明互作的组蛋白组分，是否乙酰化或甲基化组蛋白，分离具有抗性的最小基因片段用于水稻育种等。

镉是一种可以导致包括癌症、肾病和骨病等重大疾病的重金属元素。根据国土资源部2014年发布的数据，我国土壤镉超标率达到7%，在所有有机和无机污染中占第一位。由于镉的水溶性以及可以在植物中累积的特点，所以必然会导致其在农产品中的累积。在稻米中的调查情况也验证了这一观点。多地的调查都反映出市场稻米镉超标率大约在10%左右。根据日本科学家的研究数据，水稻已经被证明是人类吸收镉的主要来源之一。如此大面积的污染，如果仅仅采用改良土壤的方法，不仅所需费用巨大，而且想在短期内取得成果是非常困难的。而利用现代生物技术手段，开发新的种质资源，有望在育种层面获得低镉新种质，进而保障我国的食品安全。国际上，日本科学家发现OsHMA3和OsRamp5基因的表达改变都可以导致水稻的镉累积显著降低，但是基于知识产权的考虑以及加深对水稻低镉累积机理的认识，我们继续开发水稻低镉累积的基因资源，具有重要的理论和实践意义。本项目研究以OXS3基因作为研究对象，在其作用机理和对镉累积的影响方面做了深入的研究。研究内容包括水稻OXS3基因家族成员的克隆及功能分析、结构解析和互作蛋白的确定等方面的研究，取得了一定的成果。我们通过在裂殖酵母中表达水稻OXS3基因，发现OsO3L2和OsO3L3基因具有较强的耐镉功能，因此选择它们进行进一步的研究。研究结果显示，水稻OsO3L2和OsO3L3基因与拟南芥OXS3基因相比，具有很强的保守性。很可能通过修饰组蛋白H2A的数个氨基酸残基来发挥其生物学功能，比如耐重金属胁迫的能力等（未发表结果）。同时我们利用转化OsO3L2和OsO3L3基因的功能片段，成功获得了能显著降低镉累积的转基因株系，其稻米中镉累积量只有对照的14%~50%之间，这一结果已发表在植物学主流刊物Molecular Plant (Wang等，2016)上，这些获得的种质资源，将被进一步用于低镉水稻育种的研究中。