水稻富锌机制中锌长距离运输、微区分布特征及赋存形态研究

本项目从国际前沿研究领域－微量元素的生物强化入手，以锌高、低富集水稻为研究材料，综合运用同步辐射X射线荧光分析（SRXRF）、XAS、Micro-XANES、TEM-EDXMA、LA-ICP-MS、HPLC-ICP-MS等新技术，研究锌富集水稻体内锌的长距离运输特征，锌在细胞和亚细胞水平原位分布状况及利用途径，锌的运输形态与籽粒富锌关系等。以期探明锌在富集水稻体内稳态调控作用的生理生化机制，为深入研究水稻运输形态和途径与籽粒富锌的分子机理、选育籽粒高锌富集水稻品种、最终通过生物强化改善人类锌营养健康提供理论依据。

本项目以锌高富集基因型水稻（IR68144）、锌低富集基因型水稻（IR64）等水稻品种为研究材料，综合采用木质部伤流液分析、同步辐射X射线荧光分析（SR-XRF）、稳定性同位素标记以及EXAFS等技术，系统分析了水稻体内锌的长距离运输特征，籽粒中锌的分配特点与原位细胞水平分布特征，锌的赋存形态等，初步探明了水稻籽粒富锌的相关生理生化机制。主要研究成果如下：.1. 代谢抑制剂或低温处理显著抑制了水稻木质部对锌的装载能力，锌高富集基因型受抑制程度更为明显，表明水稻木质部装载锌是主动需能过程，且富锌水稻品种具有更快速的木质部装载能力。缺锌诱导可显著增加木质部对锌的装载，而钙离子通道抑制剂和钙显著抑制了锌的木质部装载，外源添加有机酸则无明显影响。稳定性锌同位素示踪分析表明了水稻籽粒中50%以上锌来源于营养生长期根系所吸收的锌，富锌水稻品种具有更强的韧皮部锌再转运能力。上述结果表明，水稻籽粒锌的富集在很大程度上与水稻对锌的木质部快速装载和韧皮部再转运能力相关。.2. 水稻籽粒中锌等矿质元素在稻壳、糊粉层和胚中含量显著高于胚乳，其中，43%锌，65%铁，和85〜92%的K，Ca和Mn存在于稻壳和米糠。水稻籽粒µ-XRF二维图像证实了锌等元素主要分布于胚、糊粉层和稻壳，胚乳中较少，由外向里递减。锌在胚中分布与其他元素不同，主要集中于胚芽与胚根中心，其在水稻籽粒发芽过程中可能参与维管组织的结构形成或相关功能。不同水稻品种籽粒中锌等元素的差异为总锌水平，而非分配特征。综上，水稻籽粒中锌等矿物元素的分布状况在很大程度上影响了人体对稻米中矿质营养的吸收，如何促进锌等矿质元素向水稻籽粒胚乳中运输是人体矿质营养生物强化的关键。.3. 利用同步辐射X射线吸收光谱在超低温条件下对不同基因型水稻根部和籽粒中锌的原位赋存形态进行分析，表明水稻根系中Zn谱形和近边峰位置较为相似，以二价Zn配位为主，RDF谱与Zn-O/N较为类似。不同水稻基因型谷壳和米粒中锌的XANES谱差异不大，均以二价Zn为主，第一配位层中以Zn-O/N配位为主，而糙米、稻壳和根部锌的形态差异较大，糙米与谷壳相比主振峰能量下降。可见，不同锌富集基因型间锌的赋存形态差异较小，但在水稻不同组织中锌的赋存形态有很大差异，锌在水稻体内运输过程中其赋存形态发生了明显变化。