乾濕交替驅動水稻根表鐵膜形成的生理與分子機制

《乾濕交替驅動水稻根表鐵膜形成的生理與分子機制》是依託華南農業大學，由沈宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：乾濕交替驅動水稻根表鐵膜形成的生理與分子機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈宏
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

根表鐵膜是水稻適應水生環境的重要物理屏障和養分庫。稻田乾濕交替過程是水稻生長過程中常見的管理方法，研究稻田乾濕交替驅動水稻根表鐵膜的形成機理，對阻止有害重金屬和有機污染物通過水稻根系進入籽粒具有重要意義。本項目擬利用鐵膜數量差異顯著的水稻品種為材料，利用DCB方法、電鏡、X射線與能譜分析儀等表征水稻根表鐵膜的種類、數量與分布；利用微電極、色譜與質譜聯用儀等測定水稻根際Eh值和氧化性物質的動態變化，明確乾濕交替驅動根表鐵膜形成的根際特徵。然後，藉助組織化學染色和比色法等測定水稻根系抗氧化酶活性、活性氧累積等，明確乾濕交替驅動根表鐵膜形成的生理機制。在此基礎上，利用高通量測序和Pathway顯著性富集分析，分離乾濕交替誘導鐵膜形成的差異表達基因；藉助農桿菌介導轉化，獲得轉基因材料；並評價轉基因材料在鐵膜形成過程中的作用。該研究結果對闡明水稻根表鐵膜的形成機制和水稻新品種選育具有重要科學意義

結題摘要

根表鐵膜是水稻適應水生環境、抵抗逆境脅迫的重要屏障。乾濕交替能明顯誘導水稻根表鐵膜的形成，然而並不清楚其誘導機理。本項目研究了乾濕交替誘導水稻根表鐵膜形成的分子生理機制，發現：乾濕交替明顯影響水稻根際氧化還原電位（Eh）。落乾時，根際Eh值上升，淹水時下降。淹水處理時，根表無定形鐵含量升高，結晶鐵下降。乾濕交替增加根際鐵膜結晶度。適度乾濕交替次數（分櫱期2次、孕穗期1次、成熟期1次）明顯增加水稻根系氧化性物質（過氧化氫）累積，提高根系氧化力，促進鐵膜在根表累積。與淹水相比，乾濕交替時，水稻根表鐵膜中的赤鐵礦、磁鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦較多，而水鐵礦較少。 水稻根系基因差異表達譜分析發現，3822個差異表達基因參與了乾濕交替和鐵膜形成過程。102個差異表達基因參與了氧化還原反應過程，30個基因上調錶達，72個基因下調錶達。乾濕交替處理增加了水稻根系乙醇酸氧化酶基因和過氧化物酶基因的表達，與對照相比，乾濕交替處理下，水稻根系OsGLO4基因和OsPrx04基因的表達量分別是對照的2.7倍和1.9倍。組織特異性分析發現，OsGLO4在水稻根和莖中表達豐度較高。OsPrx04在水稻根、莖、葉三部位均有表達。 轉基因材料分析發現，乾濕交替條件下，OsGLO4超表達材料（OsGLO4-OX）根表鐵膜數量是其野生型材料135-167%，而OsGLO4缺失突變體(OsGLO4-KO)根表鐵膜數量是其野生型材料61.5-75.6%。對於OsPrxO4基因來說，乾濕交替處理的OsPrxO4-OX根表鐵膜數量明顯大於長期淹水處理。OsPrxO4-KO的鐵膜數量沒有明顯變化，但結晶態鐵含量上升。OsPrx04-OX和OsPrxO4-KO材料在乾濕交替處理後的結晶度大於野生型，但在長期淹水時沒有明顯差異。乾濕交替時，水稻根系OsGLO4基因和OsPrx04基因通過增加過氧化氫累積，提高根系氧化力，從而誘導更多鐵膜累積。這些研究結果對指導水稻生產具有重要現實意義。 受該項目資助，本課題組成員發表了中文學術論文7篇，英文SCI收錄論文4篇，其中1區SCI論文2篇。同時，參加國內和國際學術會議各1次，發表會議論文2篇。申報國家發明專利2項，授權1項。培養博士研究生2名，碩士研究生2名。