Page 114 - 《广西植物》2023年第6期
P. 114
１ １ ０ ０ 广 西 植 物 ４３ 卷
２.３ ＯｓＩＭＡ１ 的功能缺失突变体对 Ｃｄ 胁迫更敏感 减少植物对 Ｃｄ 的吸收(Ｗｕ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０１２ꎻ Ｓｅｂａｓｔｉａｎ ＆
为了进一步研究 ＯｓＩＭＡ１ 在适应 Ｃｄ 胁迫方面 Ｐｒａｓａｄꎬ ２０１６)ꎮ 因此ꎬ利用 Ｆｅ 和 Ｃｄ 的拮抗机制
的作用ꎬ本研究利用 ＣＲＩＳＰＲ￣Ｃａｓ９ 基因编辑技术 可以提高植物对 Ｃｄ 胁迫的适应性ꎮ 水稻中存在
对 ＯｓＩＭＡ１ 基因进行了编辑ꎬ并获得了两个 ｉｍａ１ 两个 ＯｓＩＭＡ 基因:ＯｓＩＭＡ１ 和 ＯｓＩＭＡ２ꎬ它们的过表
突变体ꎮ 本研究在 ＯｓＩＭＡ１ 基因的编码区设计了 达能激活缺 Ｆｅ 诱导基因的表达ꎬ从而增加 Ｆｅ 的累
一个特异性的靶点ꎬ用 ＯｓＵｂａ 启动子驱动整合了 积(Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０２１)ꎮ 本研究发现ꎬＣｄ 胁迫
该靶点的 ｓｇＲＮＡꎬ并构建了相应的表达载体ꎮ 通 时 ＯｓＩＭＡ１ 和 ＯｓＩＭＡ２ 的表达显著上调ꎮ Ｃｄ 处理
过转化野生型水稻愈伤组织ꎬ获得了转基因植株ꎮ 试验发现 ＯｓＩＭＡ１ 的功能缺失突变体提高了水稻
通过 ＰＣＲ 鉴定及后代分离纯化ꎬ得到 ２ 个纯合的 对 Ｃｄ 的敏感性ꎬ主要表现在植株叶片白化萎蔫ꎮ
突变体株系 ｉｍａ１￣１ 和 ｉｍａ１￣２ꎮ ２ 个株系均因基因 ＯｓＩＭＡ１ 过表达一方面增加了 Ｆｅ 的积累ꎬ另一方面
编码区插入一个碱基导致移码突变( 图 ３:Ａ)ꎮ 此 却抑 制 了 Ｃｄ 从 根 向 地 上 部 的 转 运ꎬ 这 可 能 是
外ꎬ本研究对野生型和 ２ 个功能缺失突变体的植 ＯｓＩＭＡ１ 过表达植株对 Ｃｄ 耐受性提高的原因ꎮ 因
株进行了 Ｃｄ 处理试验ꎮ 在正常水培液生长条件 此ꎬ增加 ＯｓＩＭＡ１ 的表达水平是缓解植物 Ｃｄ 毒害
下ꎬ２ 个突变体株系与野生型植株无明显差别( 图 的一个有效策略ꎮ
３:ＢꎬＣ)ꎮ 在 Ｃｄ 处理条件下ꎬ突变体植株表现出 Ｍｅｎｇ 等( ２０２２) 研 究 表 明ꎬ ＩＭＡ 过 表 达 可 以
幼叶缺绿甚至萎蔫等症状( 图 ３:Ｂ)ꎮ 综上表明ꎬ 提高拟南芥对 Ｃｄ 胁迫的适应能力ꎮ 本研究发现
ＯｓＩＭＡ１ 功能缺失增加了植物对 Ｃｄ 的敏感性ꎮ ＯｓＩＭＡ１ 过表达提高了水稻对 Ｃｄ 胁迫的耐受性ꎮ
２.４ ＯｓＩＭＡ１ 负调控 Ｃｄ 从根向叶的转运 水稻根摄入的 Ｆｅ 和 Ｃｄ 经地上部转运至稻米中ꎮ
本研究结果表明 ＯｓＩＭＡ１ 过表达植株比野生 ＯｓＩＭＡ１ 过表达既促进了 Ｆｅ 在根部的累积ꎬ又促
型更耐 Ｃｄ 胁迫ꎬ而 ｉｍａ１ 突变体则相反ꎮ 为了进 进了 Ｃｄ 在根部的积累ꎮ 但是ꎬＯｓＩＭＡ１ 过表达促
一步分析 ＯｓＩＭＡ１ 正调控 Ｃｄ 耐受的分子机制ꎬ本 进了 Ｆｅ 在地上部积累的同时ꎬ也抑制了 Ｃｄ 从根
研究测定了野生型、ＯｓＩＭＡ１ 过表达株系和 ｉｍａ１ 突 向地上部的转运ꎮ 这表明 ＯｓＩＭＡ１ 可以通过特异
变体的根和叶片中的 Ｃｄ 和 Ｆｅ 含量ꎮ 先将在正常 性地抑制 Ｃｄ 从根向地上部的转运ꎬ提高植物对
培养液中生长 ７ ｄ 的幼苗分别转移到不含 Ｃｄ 或含 镉胁迫的适应性ꎮ Ｆｅ 和 Ｃｄ 同属于二价离子ꎬ在
有 ２５ μｍｏｌＬ ＣｄＣｌ 的培养液中培养 ７ ｄꎬ然后分 体内可能被类似的转运蛋白识别ꎮ ＯｓＩＭＡ１ 过表
￣１
２
别取根和叶用来检测 Ｆｅ 和 Ｃｄ 的含量ꎮ 与野生型 达植株根部累积的 Ｆｅ 可能竞争抑制了 Ｃｄ 与这
相比ꎬＯｓＩＭＡ１ 过表达植株的根和地上部都积累了 些转运蛋白的结合ꎮ ＯｓＩＭＡ１ 这种限制植物从根
更多的 Ｆｅꎬ而 ｉｍａ１ 突 变 体 则 积 累 了 较 少 的 Ｆｅꎻ 向地上部转运 Ｃｄ 的能力可能有助于减少稻米中
ＯｓＩＭＡ１ 过表达植物在根中积累了较多的 Ｃｄꎬ而 的 Ｃｄ 累积ꎮ 未来可以测试 ＯｓＩＭＡ 过表达是否可
ｉｍａ１ 突变体在地上部积累了较多的 Ｃｄ( 图 ４)ꎮ 减少稻米中的 Ｃｄ 含量ꎮ 无论在拟南芥还是在水
综上 表 明ꎬ ＯｓＩＭＡ１ 负 调 控 Ｃｄ 从 根 向 地 上 部 的 稻中ꎬＩＭＡ 均具有增加 Ｆｅ 吸收、增强 Ｃｄ 耐受的
运输ꎮ 生物学功能ꎬ揭示了 ＩＭＡ 在不同物种中的功能保
守ꎮ ＩＭＡ 的高度保守性可能有助于打破基因功
３ 讨论与结论 能物种特异性的限制( Ｇｒｉｌｌｅｔ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０１８) ꎮ 因
此ꎬ未来研究可以测试 ＩＭＡ 是否可以提高其他作
Ｃｄ 对动植物的生长发育有害ꎬ近年来水稻受 物的耐 Ｃｄ 能力ꎮ
到 Ｃｄ 污染的事件频频发生ꎮ 因此ꎬ减少植物的 Ｃｄ ＩＭＡ 小肽碳末端的 １７ 个氨基酸就足以发挥其
吸收或提高植物对 Ｃｄ 胁迫的适应性ꎬ有利于保障 分子功能( Ｇｒｉｌｌｅｔ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０１８ꎻ Ｌｉ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０２１)ꎮ
粮食安全ꎮ Ｆｅ 是植物生长发育所必需的营养元 目前ꎬ人工合成小分子多肽的技术已经非常流行ꎮ
素ꎬ而缺 Ｆｅ 是导致人类贫血症的一个主要原因ꎮ 因此ꎬ未来有望将 ＩＭＡ 开发为一种商用多肽ꎬ通过
水稻作为主粮作物ꎬ是人类 Ｆｅ 元素的一个主要来 施肥的方式提高植物对 Ｃｄ 耐胁迫的适应性ꎮ 综
源ꎮ 因此ꎬ培育富 Ｆｅ 稻米有益于改善人类健康ꎮ 上所述ꎬＩＭＡ 可作为减轻植物 Ｃｄ 毒害的一个潜在
由于 Ｆｅ 和 Ｃｄ 之间的拮抗作用ꎬ额外施加 Ｆｅ 可以 可利用的小分子ꎮ 进一步研究 ＩＭＡ 调控 Ｃｄ 胁迫
