南京农业大学揭示实现水稻降砷及多营养元素新途径

      南京农业大学赵方杰团队发现通过表达一个功能获得型水稻OAS-TL突变基因，同步实现了稻米降砷与多种必需营养元素生物强化。在本研究中，为了实现astol1增强Cys生物合成的潜力，同时克服其对水稻生长的抑制，采用了一个中等表达水平的线粒体谷胱甘肽过氧化物酶基因（OsGPX1）的启动子来驱动astol1在野生型水稻中的表达。一系列的实验结果表明，表达pOsGPX1::astol1可显著促进硫的吸收和同化，根系中硫酸盐转运蛋白基因OsSULTR1;1和OsSULTR2;1表达水平升高，硫酸盐含量增加，Cys合成的限速酶SAT活性显著增强，O-乙酰丝氨酸（OAS）、Cys、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合素（PCs）含量增加，耐砷能力增强。此外，根系中烟酰胺（NA）合成关键基因OsNAS的表达水平显著提高，NA含量升高。NA是微量元素Zn、Fe、Cu的螯合物，对植物体内这些元素向籽粒转运起重要作用。在采用砷污染土壤的盆栽试验和两次田间试验中，与野生型相比，表达pOsGPX1::astol1对植株生长和籽粒产量多数情况下无显著影响，稻米中砷含量下降了16–51%, 锌含量增加了21–69%，硒含量增加了37–171%，硫含量增加了67–81%，其他营养元素包括氮、钾、钙、铁、铜含量也有不同程度的提升。该研究表明，Cys的生物合成对多种营养元素的吸收与转运起重要作用，表达pOsGPX1::astol1可适度增强水稻Cys的生物合成，提高水稻耐砷能力，降低稻米砷积累，并同步实现稻米中多种营养元素的生物强化，起到一石多鸟的功效。该研究为改善稻米营养与健康品质提供了新的途径。研究成果发表于《New Phytologist》。