Rice Science|OsHAG1调控了砷元素在水稻籽粒中的分配与积累

文摘   2024-09-09 20:28   中国香港  
2024年8月30日,Rice Science上线了一篇关于水稻砷积累机制的研究论文,“OsHAG1 Regulates Arsenic Allocation and Accumulation in Rice Grain”。该研究通过正向遗传学方法,鉴定了一个新的OsABCC1等位基因OsHAG1,它有助于砷的隔离及其向籽粒的转运。
(As)是土壤生态系统生态风险评估中的首要污染物,可通过必需和有益元素(如磷和硅)的转运蛋白被植物吸收,最终到达农作物可食用部分,构成重大公共卫生风险。与其他食物相比,水稻是公认的As累积作物。水稻籽粒中的As浓度可达0.95mg/kg,远超0.2mg/kg的允许限值。更严重的是,由于气候变化,水稻中的As含量可能会增加。因此,解决水稻中As污染的威胁,是迫切和至关重要的。
为了应对水稻籽粒中的As毒性和累积问题,大多数相关研究致力于理解As吸收、转运和解毒机制。然而,对于不同水稻品种在As胁迫下的生理机制差异,则关注不多。此外,不同水稻种质资源的籽粒中As浓度存在较大差异。然而,这些基因在水稻亚种中的等位基因状态,仍然未知。

图1. 野生型(WT)和hag1突变体的表型和遗传基础分析
该研究首先从经EMS诱变的Nipponbare文库中,分离出了一个在籽粒中高度累积As并对As毒性超敏感的突变体hag1(图1A、1B)。WT和hag1籽粒中其他有益和有害元素的含量没有差异。因此,该结果表明hag1稳定且独特地赋予了籽粒中高水平的As累积。
为了表征HAG1基因在As胁迫中的生理作用,在幼苗阶段比较了hag1和WT在不同As浓度下的As敏感性和累积量。在低浓度As3+条件下,hag1的生长与WT相似;然而,随着As浓度的增加,hag1的根和茎显著缩短并严重矮化(图1A)。与WT相比,在较低As浓度下,hag1从根到地上部的As转运减少了64%;而hag1在较高的As暴露下,其转运量是低浓度下的2.6倍(图1C)
为了研究不同As浓度下As耐受性和累积模式的潜在生理机制,测定了不同As胁迫条件下与As抗性相关的硫醇化合物的水平。发现在暴露于1 μmol/L As3+ 7天后,hag1产生的硫醇化合物(包括PC3和PC4)比WT多,而在高砷水平下,hag1根中的PC2和PC3显著减少(图1-D)。这些结果表明,生物硫醇化合物可能通过在不同砷胁迫水平下与砷竞争,影响根到芽的砷转运。
为了确定hag1的遗传基础,将hag1突变体与WT杂交,F1后代表现出低砷积累和砷耐受性。连锁分析和精细定位结果表明,hag1LOC_Os04g52900OsABCC1,参与砷转运和解毒)的第10个内含子的第一个碱基处,含有一个单碱基替换(G2661A)。这种核苷酸变化导致其转录本发生了替代性剪接,使得Oshag1编码序列中16个碱基的缺失,造成氨基酸371‒376处的缺失(图1-E和-F)。
为了遗传验证HAG1的功能,将含有WT ABCC1的cDNA区域的质粒Ubi:ABCC1转化到hag1突变体中。正如预期的那样,转基因植株在As胁迫下的植株长度和籽粒中的As浓度恢复到了WT水平(图1G-1I)。综合这些发现,说明OsABCC1中的突变,是导致hag1突变体砷超敏感性和谷物中砷积累增加的原因。
为了阐明OsABC1突变如何影响其他参与砷积累和抗性的基因的转录水平,该研究使用靠近穗部的节点I(Node I)对WT和hag1进行了三次重复的转录组测序。层次聚类分析鉴定了21个在转运活性中富集的差异表达基因(DEGs),18个在应激反应中富集的DEGs,以及15个与发育相关的DEGs(图1-J)。在这些DEGs中,与砷积累相关的ABCNIPPIPHACPht家族基因的转录水平发生了变化。
值得注意的是,OsABCC1OsHAC1被下调,这些已被报道为参与砷转运的关键基因(图1-K)。此外,与应激反应和发育相关的PrxGSTUGSTFCCA1SSIIbFd1基因在hag1中的表达也与WT不同。这些结果与观察结果一致,即hag1不仅表现出更高的砷积累,而且在砷胁迫下生长受阻。
之后,随机选择了25个DEGs进行qRT-PCR,结果证实OsABCC1OsHAC1和其他21个基因与RNA-Seq数据一致(图1-K)。这些发现表明,OsABCC1中的突变也可能影响其他砷相关基因的表达水平,最终导致砷积累显著增加。
此外,分别选择了七个代表性的籼稻和粳稻品种,进行qRT-PCR。当暴露于10 μmol/L As3+ 7天时,籼稻品种根组织中的OsABCC1表达水平通常高于稻品种(图1L)。相比之下,大多数籼稻的砷浓度低于粳稻(图1M)。
更重要的是,在选定的14个品种中,发现OsABCC1表达水平与相应谷物中砷积累之间存在显著的负相关关系(R2 = 0.85, 图1N)。这些数据共同表明,OsABCC1的差异表达水平,在调节籼稻粳稻品种之间的砷积累中起着重要作用,这为未来培育耐砷和低砷积累的水稻品种提供了新的策略。
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