1897 / 2019-08-30 14:48:50

蜈蚣草砷磷转运蛋白的功能研究

3、环境科学 > 专题5：砷的环境地球化学

砷（Arsenic, As）是一种在自然界中广泛存在的化学元素，其所导致的砷污染是全球范围内最常见的重金属污染之一。近年来，砷的致癌性、砷污染土壤的广泛性以及砷被农作物吸收进入食物链导致的食品安全问题引起了国内外学者的广泛关注。蕨类植物蜈蚣草（Pteris vittata）是世界上第一种被发现的砷超富集植物，具有极强的砷吸收能力、高效的砷转运能力及植物细胞对砷的高度耐受性，是一种理想的修复土壤砷污染的植物，也是研究植物砷吸收、转运、积累和解毒机制的理想植物材料[1]。对蜈蚣草砷代谢解毒分子机制及关键转运蛋白的研究，可为阻控砷在粮食作物中的积累提供重要的基因资源。
磷酸盐转运蛋白（Phosphate transporter; Pht）是植物吸收磷的关键转运蛋白，同时也是参与植物对砷吸收的一类重要转运蛋白，在模式植物拟南芥和水稻中都发现磷转运蛋白对砷的吸收积累有重要贡献。超富集植物蜈蚣草对土壤中的五价砷具有超高的吸收效率，推测磷转运蛋白在其中发挥了重要作用，但是具体单个基因的功能研究还较缺乏。为深入研究蜈蚣草中这两类基因的功能，我们通过转录组分析挖掘得到了蜈蚣草磷转运蛋白PvPht1;1-1;5。并对PvPht1;1/2，PvPht1;3的功能进行了深入的研究。
PvPht1;2编码一个有功能的磷转运蛋白，在烟草中异源表达可提高转基因烟草对磷的吸收，导致植物组织中磷含量显著提高，并极大地促进了植物的生长。通过32P同位素吸收实验发现，在烟草中表达PvPht1;2不仅显著增加了植物对磷的吸收，还显著提高了植物根部向地上部P的转运。数据表明，相较于野生型对照，转PvPht1;2基因烟草32P的转运系数提高了69−92%，而木质部汁液中磷的浓度提高了46−62%。此外，和大多数磷转运蛋白同时吸收转运砷不同，PvPht1;2的砷转运能力很弱，因此在提高植物磷吸收的过程中不会导致砷吸收和积累的增加。为进一步验证PvPht1;2在植物砷磷吸收中的特性，研究人员开展了转基因烟草土培实验。结果表明，在实际土壤环境中，表达PvPht1;2仍可显著增加烟草对磷的吸收和转运，提高植物组织中磷的积累，并显著促进植物的生长发育，同时并不会导致植物组织中砷含量的升高。这一重要结果表明，即使在砷轻度污染土壤中，通过表达PvPht1;2提高作物磷吸收、促进植物生长的策略仍然可行，且不会对食品安全产生不良影响。
在PvPht1;3研究中，我们将克隆得到的PvPht1;3的编码区序列，分别在酵母和植物系统中研究了其在砷积累方面的功能。在自身磷酸盐转运蛋白（PHO84, PHO89, PHO87, PHO90 和 PHO91）完全缺失的突变酵母菌株EY917中表达PvPht1;3，发现PvPht1;3可以回补EY917突变体的磷吸收功能，并且与已报道的蜈蚣草另一个磷酸盐转运蛋白PvPht1;2相比，PvPht1;3对AsV表现出更强的亲和力和转运能力。在烟草中异源表达PvPht1;3探究其在植物砷积累中的功能，发现不论是在水培还是在土壤盆栽实验中，PvPht1;3显著增强了转基因烟草对AsV的吸收和向地上部的转运，提高As在烟草地上部的积累。这些结果表明PvPht1;3对AsV具有较强的转运能力。为进一步阐述PvPht1;3在蜈蚣草砷超富集方面的分子机制，我们对其表达模式进行分析。qRT-PCR结果显示PvPht1;3的表达受到缺磷的强烈诱导，不受AsV的影响。此外我们克隆了PvPht1;3启动子序列，并构建以该启动子驱动表达GUS报告基因的转基因拟南芥和大豆以探究PvPht1;3的组织定位。GUS化学组织染色结果显示，报告基因主要在中柱细胞中表达，说明PvPht1;3可能在中柱细胞中特异表达，有可能参与P/As转运。综上，PvPht1;3是一种具有高亲和力的AsV转运蛋白，可能是蜈蚣草高效转运砷的关键，并且PvPht1;3的异源表达增强了植物对砷的转运和积累，可进一步改善砷污染土壤的植物修复。
深入研究蜈蚣草砷磷转运蛋白的功能，一方面能够解析蜈蚣草高效砷吸收的生物学机制，另一方面也有助于未来通过植物基因工程手段进一步提高砷污染土壤植物修复的效率。