水稻过表达TaPCS1导致镉敏感及其生理机制的研究

摘要

镉(Cadmium，Cd)是最主要的重金属污染元素之一，它对农作物产生多种生理毒害作用。水稻(Oryza sativa L.)对Cd有较强生理耐受力和积累力，这给我国人民的健康带来了潜在的危害。植物螯合肽(Phytochelatins，PCs)是一类巯基含量丰富的重金属螯合肽，在Cd的解毒和运输中起到重要的作用。PCs是由植物螯合肽合成酶(Phytochelatin synthase，PCS)以谷胱甘肽(GSH)为底物得到的。转PCS基因的研究很多，但是研究结果差异非常大，转PCS基因可导致增加Cd抗性，也可引起Cd敏感性；可增加植株Cd的积累也可减少Cd的积累等等。然而水稻转PCS基因的研究很少，因此我们将来源于小麦的TaPCS1导入粳稻中花11(Oryza sativa L.subsp.Japonica，cv.Zhonghua11)，探讨PCs在水稻对Cd抗性中的作用。主要研究结果如下：
　　 1.转TaPCS1水稻在500μM Cd处理下，和ZH11相比表现为镉敏感型植株，转基因水稻生物量的显著降低、株高的下降、叶片的萎蔫和枯黄更加严重。
　　 2.转TaPCS1能够改变Cd在植株体内的分布。主要表现在两个方面：一是，转基因水稻增加了Cd在地上部的积累，而根中Cd的含量差异不明显，表明过表达TaPCS1能够增加Cd向地上部分的运输的能力，侧面反映了PCs在Cd运输中的作用；二是，转基因水稻增加了Cd在细胞液中的含量，反映了PCs在Cd的液泡区室化解毒中的功能。
　　 3.转基因水稻在Cd处理下显著增加了NPT和PCs的合成，伴随着GSH含量急剧下降。GSH含量的下降引起了AsA-GSH循环中的GSH、AsA、NADPH含量的降低，以及GSH/GSSG、AsA/DHA、NADPH/NADP+比值的下降，从而导致消除活性氧的功能降低，增加了重金属引起的氧化胁迫的危害，表现为转基因水稻H2O2含量的显著升高，导致转基因株系的Cd敏感型。
　　 4.转基因水稻不仅增加了Cd在细胞可溶性部分的含量，也增加Cd在细胞器中的积累，细胞器中的Cd能够损坏细胞器的结构，引起细胞代谢的紊乱，最终会导致细胞死亡，这些是转基因水稻镉敏感的另一个重要原因。