基于蜈蚣草FOX-Hunting系统的砷积累相关基因的挖掘和功能分析

Arsenic (As) is an element that is nonessential for and toxic to organisms. Arsenic contamination in the environment is a global problem, its accumulation in food crops may lead to the serious health risks to humans. With a high degree of public awareness of food safety concerns, how to reduce arsenic accumulation in crops becomes one of the key scientific issues of the economic and social development. This project will discover some arsenic accumulation key genes from a arsenic hyperaccumulator Pteris vittata, and transform to rice to controllable expression, aimed at inhibiting the transport and accumulation of arsenic in the grain. Because little has known about the genomic information in the fern, we have adopted a new strategy of functional gene identification and build its FOX-Hunting System (Full-length cDNA Over-eXpressing gene hunting system). Based on this system, the project will use phenotypic analysis, expression pattern analysis and subcellular localization to reveal the molecular mechanisms of arsenic transport and accumulation in arsenic hyperaccumulator, and to provide some theoretical basis for the molecular breeding of low accumulation of arsenic in crops.

砷是一种生物体非必需毒性元素。砷污染是一个全球性问题，其危害在于可以通过农作物进入人体而引发严重的健康风险。随着公众对食品安全的高度关注，如何降低农作物中砷积累成为国家经济和社会发展中迫切需要解决的关键科学问题之一。本项目拟从砷超富集植物蜈蚣草中挖掘砷积累关键基因，用于在水稻中的可控表达，旨在阻断砷向谷粒中的转运和积累。对于基因组信息甚少的蕨类植物蜈蚣草，我们采用新的功能基因挖掘策略，构建了其FOX-Hunting系统（Full-length cDNA Over-eXpressing gene hunting system），本项目将在此基础上，通过表型分析，挖掘关键基因，并对其表达产物进行表达模式分析和亚细胞定位，以揭示砷超富集植物中砷是如何转运并富集于羽叶的分子机制；通过不同启动子控制砷转运关键基因的表达，为抗污染且低积累砷的农作物的分子设计和模块育种提供理论依据和实现途径。

砷污染是一个全球性问题，其危害在于可以通过农作物进入人体而引发严重的健康风险。在过去四年中，本项目基于此前建立的FOX-Hunting系统，从砷超富集植物蜈蚣草中挖掘砷积累关键基因，得到了一个水通道蛋白PvTIP4;1。酵母突变体功能互补实验表明，PvTIP4;1介导了As(III)的转运。将该水通道蛋白基因在拟南芥体系中异源表达，发现转基因拟南芥植株中砷含量增加，且对As(III)更加敏感，证实该水通道蛋白参与As(III)吸收。亚细胞定位和组织定位研究表明，PvTIP4;1定位于蜈蚣草根的质膜上。通过将PvTIP4;1与其它物种的TIP4s进行氨基酸序列比对，发现其Ar/R结构域的LE1位点具有特殊性。进一步通过点突变实验探究了LE1位点对蛋白功能的影响，并借助模拟蛋白三维结构分析了该位点突变对水通道蛋白孔径的影响，结果证明PvTIP4;1的LE1是一个功能位点。本项目的研究结果不仅为蜈蚣草砷超富集分子机制的阐明提供了重要线索，还可为运用生物技术手段培育用于植物修复的新型工程植株提供分子元件。