遺傳發(fā)育所在富鋅水稻培育及機(jī)制研究中取得進(jìn)展

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來源：遺傳與發(fā)育生物研究所

2019-06-10

人體不僅需要碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)等三大營養(yǎng)素，還需要鐵、鋅、硒、碘等16種礦物元素，以及維生素A、維生素E、葉酸等13種維生素。目前的研究表明，如果必需的微量營養(yǎng)素長期攝入不足，人體就會(huì)出現(xiàn)免疫力下降、智力低下、發(fā)育不全、勞動(dòng)能力喪失等各種健康問題。2005年，世界衛(wèi)生組織將這一現(xiàn)象稱為“隱性饑餓”。隱性饑餓不僅危害著國民健康，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有著不利的深遠(yuǎn)影響。據(jù)世界銀行統(tǒng)計(jì)，隱性饑餓導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失占全球GDP的3%~5%。因此，隱性饑餓不僅影響人們身體健康，也影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。和其它發(fā)展中國家一樣，我國是世界上面臨隱性饑餓嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的國家之一。鋅是人體必需而又易缺乏的營養(yǎng)元素，世界約20%的人口面臨著鋅吸收不足的威脅。鋅在人體生長發(fā)育、生殖遺傳、免疫等生理歷程中起著極其重要的作用，被人們冠以“生命之花”的美稱。

通過育種來提高農(nóng)作物中微量營養(yǎng)素含量，不需要人們改變現(xiàn)有的飲食習(xí)慣和加工方法，就能讓人們從食物中安全地獲取所需的營養(yǎng)是長期以來科學(xué)家的追求目標(biāo)，也是改善微量營養(yǎng)元素營養(yǎng)不良最為經(jīng)濟(jì)有效的方式。水稻是世界上超過一半人口的主糧，但其籽粒中鋅含量很低，因此，研究水稻籽粒吸收轉(zhuǎn)運(yùn)富集鋅的分子調(diào)控機(jī)制，利用生物技術(shù)提高籽粒中鋅含量，對滿足人類鋅營養(yǎng)健康具有重要意義。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)成才研究組博士高少培結(jié)合遺傳學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、同步輻射X射線熒光微探針等手段，揭示了細(xì)胞分裂素在植物細(xì)胞鋅平衡調(diào)控中具有重要作用。研究以細(xì)胞分裂素缺失突變體ren1-D（Gao et al., Plant Physiology, 2014）作為切入點(diǎn)，ren1-D在幼苗期表現(xiàn)出冠根數(shù)目變多和根長變長，該表型由T-DNA插入導(dǎo)致細(xì)胞分裂素脫氫酶OsCKX4激活造成。有意思的是，高少培發(fā)現(xiàn)，在ren1-D突變體中，根和莖中鋅含量均顯著增加。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)鋅吸收的OsZIP家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、負(fù)責(zé)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)的OsHMA2和煙酰胺合成酶OsNAS的基因轉(zhuǎn)錄水平都受到細(xì)胞分裂素的嚴(yán)格調(diào)控。田間試驗(yàn)表明，在ren1-D突變體籽粒中Zn含量顯著增加，而在OsCKX4 RNAi干涉株系及其同源基因OsCKX2敲除突變體等細(xì)胞分裂素增加材料的籽粒中鋅含量均明顯下降。上述結(jié)果表明，細(xì)胞分裂素在調(diào)控水稻對鋅的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要調(diào)控作用?！　?/p>

進(jìn)一步通過根特異性啟動(dòng)子RCc3表達(dá)細(xì)胞分裂素脫氫酶OsCKX4對植物體內(nèi)的細(xì)胞分裂素代謝進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，可以同時(shí)改善水稻鋅含量和產(chǎn)量。ICP-OES測定顯示RCc3:OsCKX4轉(zhuǎn)基因的兩個(gè)株系糙米中鋅含量相對于對照增加57% 和61%，產(chǎn)量相對于對照增加11.2% 和10.9%。X射線熒光成像顯示，增加的鋅從糊粉層到胚乳廣泛分布。該研究結(jié)果為通過調(diào)控細(xì)胞分裂素代謝培育富鋅水稻提供了理論基礎(chǔ)。

該項(xiàng)研究成果于5月27日在New Phytologist 在線發(fā)表(DOI:10.1111/nph.15962)。高少培為論文第一作者，研究獲得中科院和科技部項(xiàng)目的支持。

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