水稻和高粱矽結合蛋白控制矽沉積功能的轉基因驗證

《水稻和高粱矽結合蛋白控制矽沉積功能的轉基因驗證》是依託中國農業大學，由王賀擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水稻和高粱矽結合蛋白控制矽沉積功能的轉基因驗證
• 依託單位：中國農業大學
• 項目負責人：王賀
• 項目類別：面上項目

項目摘要

近幾年來，大量的研究已經充分地證明，矽可明顯提高禾本科植物的機械強度，增強其對病蟲害、乾旱、鹽害及重金屬脅迫的抗性；但是，產生這些抗性的分子機制還不清楚，主要原因在於，人們不了解植物體內與矽代謝相關的蛋白質和基因，這已經嚴重阻礙了人們對矽的生理功能的進一步研究,也無法通過分子遺傳手段對矽的沉積過程進行調控。我們經過幾年的研究發現，水稻葉片和高粱根系的矽體中包含著與矽緊密結合的蛋白質，稱之為矽結合蛋白，體外實驗證明它們具有很強的催化矽酸聚合的能力，預示其可能在植物體內控制矽的沉積代謝過程，但目前還缺乏強有力的活體轉基因遺傳證據。擬用水稻為轉基因受體材料，通過RNAi干擾、基因過表達和啟動子GUS融合基因表達技術來驗證矽結合蛋白基因的時空表達特徵與矽沉積的關係。這將在作物抗逆性狀的分子改良方面具有重要的套用前景，同時對矽生理功能的基礎研究也有極大的促進作用。

結題摘要

近幾年來，大量的研究已經充分地證明，矽對保證植物和人類的健康具有重要的作用。矽可提高作物的產量，增加其機械強度，提高其對病蟲害、乾旱、鹽害及重金屬脅迫的抗性。但是，產生這些抗性的分子機制還不清楚，主要原因在於，人們不了解矽在植物體內的沉積代謝過程及其相關的蛋白質和基因，這已經嚴重阻礙了人們對矽的生理功能的進一步研究,也無法通過分子遺傳手段對矽的沉積過程進行調控。本項研究的主要進展是，我們發現高粱體內矽結合蛋白的分布和表達量與矽的分布和沉積量密切相關；我們進一步用轉基因方法證明高粱矽結合蛋白在不積累矽的擬南芥中的表達能明顯促進矽在擬南芥根中的積累。這對於進一步套用矽結合蛋白基因去改良其它重要糧食作物對矽的吸收與沉積，提高植物抗倒伏、抗病蟲侵染的能力，具有重要的指導意義。這是首次在分子水平上揭示矽沉積的機制。 研究的主要結果如下： 1.高粱根中矽轉運蛋白基因主要在根尖0-4cm區域表達，缺矽條件下表達明顯上調；高粱根中矽結合蛋白基因主要在根基部4-10cm成熟區表達，在加矽條件下表達明顯上調。根中矽的沉積主要在基部，說明矽的積累部位與矽結合蛋白的表達部位相重合，而與矽轉運蛋白的表達部位不一致。 2.用掃描電鏡觀察了矽在高粱根內皮層細胞壁上積累動態，發現加矽後4小時以後矽顆粒首先出現在高粱根內皮層細胞壁的紋孔周圍，以後逐漸增大形成明顯凸起的半球形矽聚集體。矽的這種積累模式與矽結合蛋白的時空表達特徵相吻合。 3.高粱葉片中矽結合蛋白主要分布在啞鈴型矽細胞、纖維細胞、氣孔保衛細胞以及泡狀細胞，與此相對應，矽體染色反應顯示矽的分布與矽結合蛋白的分布完全吻合。 4.在加矽條件下矽結合蛋白的表達主要受矽的調控，機械脅迫和鹽脅迫對它的影響較弱；在缺矽條件下機械脅迫促進矽結合蛋白的表達而鹽脅迫抑制矽結合蛋白的表達。 5.我們獲得了有力的分子遺傳證據，證明將高粱矽結合蛋白基因轉入擬南芥可使擬南芥根中的矽含量增加將近一倍。