Plant Communications｜OsHAG1调控了水稻籽粒中的砷元素分配与积累
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科学
2024-09-03 15:30
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。砷（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，hag1在LOC_Os04g52900（OsABCC1，参与砷转运和解毒）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ABC、NIP、PIP、HAC和Pht家族基因的转录水平发生了变化。值得注意的是，OsABCC1和OsHAC1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Prx、GSTU、GSTF、CCA1、SSIIb和Fd1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OsABCC1、OsHAC1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表达水平通常高于粳稻品种（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，在调节籼稻和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。
