磷饥饿增强水稻根系氧化力诱导根表铁膜形成的生理与分子机制

水稻根表铁膜对调节养分及重金属吸收具有重要作用。近期研究发现，磷饥饿诱导水稻根表铁膜形成与根系氧化力增强有密切关系。然而，磷饥饿增强根系氧化力、诱导铁膜形成的机制并不清楚。本项目以根表铁膜数量差异显著的水稻为材料，借助色谱-质谱联用仪研究不同磷水平下水稻根系氧化性物质的种类和数量，对特异氧化性物质进行鉴定。并利用组织化学染色方法和离子选择电极对根系氧化酶活性和根系氧气分泌量进行测定，明确磷饥饿增强根系氧化力、诱导铁膜形成的生理机制。在此基础上，利用缩减杂交技术，分离磷饥饿诱导的、与根系氧化力密切相关的重要基因、并转化植株，进一步研究转基因材料在磷饥饿条件下，根系氧化力与铁膜形成的关系，阐明磷饥饿增强根系氧化力、诱导铁膜形成的分子机制。该研究结果对阐明水稻根表铁膜形成的调节机制及定向选育抗逆水稻新品系具有重要的理论和实践意义。

在水培条件下研究了低磷对26个不同来源水稻根系铁膜形成的影响。运用DCB方法筛选出根表铁膜数量高和低的水稻材料（TY998和PZTF）。研究发现：缺磷48小时，硫酸亚铁浓度为50μM，溶液pH值为5.0，处理时间24小时，25-28℃条件下，水稻根表铁膜数量最多。借助高效液相色谱法测定根系内源和根分泌物中的氧化性物质，如过氧化氢、乙酸、柠檬酸等。发现，24-96小时磷缺乏增加氧化性物质累积和分泌达0.6-2.8倍。明确了磷饥饿诱导铁膜形成的生理机制，即：低磷增加根系氧气及氧化性物质分泌，诱导抗氧化酶活性增加和通气组织形成，提高根系氧化力，从而诱导铁膜形成。当磷铁比≤1：3时，根表才会形成红棕色铁膜，根表DCB-Fe与根表铁浓度有关。利用缩减杂交技术，分离到低磷诱导的差异表达基因共43个，在品种TY998和PZTF中分离23个和20个，两个品种相同的有13个基因。同源性分析发现，这些基因参与了养分吸收转运过程、能量代谢过程和抗氧化胁迫反应。重点研究了铁运输基因（OsFRDL1）在铁膜形成过程中的作用。缺氧时, Osfrdl1突变体根表铁膜含量低于野生型。缺氧处理显著增加OsFRDL1基因在根系表达。OsFRDL1::GUS报告基因主要在根系表皮细胞和维管束细胞表达；缺氧增加了报告基因在上述位置的表达。缺氧处理时，野生型比Osfrdl1突变体根系具有较高的过氧化物酶活性，表明：缺氧诱导OsFRDL1基因的高量表达,使野生型与突变体相比，过氧化物酶活性维持较高的水平，从而使其铁膜生成量高于突变体。通过本项目的工作基础，还获得了国际科学基金的资助。本项目较好地完成了预期的研究内容。除了完成原项目计划书所列的指标外，还结合国际上研究前沿、热点，对其他养分（氮、钾、硫）胁迫和分根试验诱导水稻根表铁膜形成进行了研究。这些结果使本研究更为系统。受本项目资助，分别在“Acta Physiologiae Plantarum”“Pedosphere”“Agricultural Water Management”“农业工程学报”“植物营养与肥料学报”“中国农业科学”等期刊上发表学术论文12篇，其中SCI收录论文5篇、EI收录1论文、其它国内核心期刊论文6篇。参加国际和国内学术会议分别为1次和2次。培养毕业博士后1名，硕士研究生3名，申报国家发明专利1项、授权专利1项。