1、矿质元素吸收转运的分子机制矿质元素吸收转运的分子机制K19Ca20Sc21Ti22V23Cr24Mn25Fe26Co27Ni28Cu29Zn30Ga31Ge32As33Se34Br35Kr36Rb37Sr38Y39Zr40Nb41Mo42Te43Ru44Rh45Pd46Ag47Cd48In49Sn50Sb51Te52I53Xe54Cs55Ba56La57Hf72Ta73W74Re75Os76Ir77Pt78Au79Hg80Tl81Pb82Bi83Po84At85Rn86Na11Mg12Al13Si14P15S16Cl17Ar18Li3Be4B5C6N7O8F9Ne10H1Fr87Ra88Ac8
2、9He2元素周期表元素周期表研究多种元素吸收、同化、再分配的分子机理及其相研究多种元素吸收、同化、再分配的分子机理及其相互见促进或者抑制的相互作用机理互见促进或者抑制的相互作用机理矿物质相关问题之一：重金属污染矿物质相关问题之一：重金属污染POPsK+Cd2+NO3-Zn2+AsPb2+CO2增高增高土壤化学物土壤化学物污染污染20102010中国新闻摄影中国新闻摄影“金镜头金镜头”获奖作品获奖作品 自然及环保类组金奖自然及环保类组金奖 “被污染的食物被污染的食物”矿物质相关问题之二：富营养化矿物质相关问题之二：富营养化Hatfield&Prueger,ICSC 2004 太湖太湖滇池滇池It
3、 is estimated that 5070%of the applied nitrogen(N)is lost from the plantsoil system.Edited from Good et al.,2004矿物质相关问题之三：设施农业矿物质相关问题之三：设施农业NO3-NH4+2Recovery EfficiencyPhysiological Efficiency12NONO3 3-积累积累矿物质相关问题之四：生物强化的安全性矿物质相关问题之四：生物强化的安全性 全球约30亿人缺铁、锌；而且主要集中在发展中国家的妇女、儿童 中国居民缺铁性贫血发病率平均：20.1%60岁：29
4、.1%育龄妇女：19.9%儿童缺锌：30-60%饮食习惯：禾谷类为主、抗营养因子 药物防治、饮食多样化、食品强化、生物强化Itai-Itai DiseaseBiofortificationCd pollution is serious in ChinaAnalyteAsPbZnCdHgField-1Bioavail.2.20.118.81.8121.310.82.20.111.170.63Total50.91.8623.322.4101314.24.020.029.514.3Field-2Bioavail.1.40.157.60.9392.21.050.030.10.04Total48.21.
5、89822359.319.61.730.351.360.33GB 15618-1995 0.1%DW)Cl,Fe,B,Mn,Zn,Cu,Ni,Mo(0.01 DW)Na,Si（未达共识）Cd:目前已经有报道作为一种海洋浮游生物的营养物质植物的有益元素和有害元素植物的有益元素和有害元素有益元素：Na：盐生植物中含量高；调节渗透压Si：禾本科植物中含量很高；增强抗病虫害能力，促进生殖器官形成Co：豆科植物含量高；维生素B12的成分，许多酶的激活剂。Se：少量有益，多则有毒V：适量施加可促进作物的生长发育，增加作物产量，改善作物品质有害元素：Cd：但在海洋硅藻中其重要作用Hg：Pb：低浓度铅促进植物
6、生长Al：As：可再利用元素缺乏时，老叶先出现病症；不可再利用元素缺乏时，嫩叶先出现病症。可再利用元素：在植物体内可以移动，能被再度利用的元素(K,N,P,Mg)。不不可再利用元素：在植物体内不可以移动，不能被再度利用的元素(Ca,Fe)。N 吸收的主要形式吸收的主要形式是是 NH4+，NO3-等等:构成蛋白质的主要成分构成蛋白质的主要成分(16-18%)；核酸、核酸、辅酶、磷脂、叶绿素、辅酶、磷脂、叶绿素、细胞色素、植物激素细胞色素、植物激素(CTK)、维生素等的成、维生素等的成分。分。故称为故称为“生命元生命元素素”缺缺N各元素的主要生理功能各元素的主要生理功能 缺缺N：有机物质合成受阻，
7、植株矮小、叶有机物质合成受阻，植株矮小、叶色淡或发红、产量降低。色淡或发红、产量降低。多多N:叶色深绿，成叶色深绿，成熟期延迟，对逆境抵抗力差，易倒。熟期延迟，对逆境抵抗力差，易倒。P：以以 H2PO4-,HPO42-形式吸收形式吸收.生理作用生理作用（1）细胞）细胞质、膜、核的成分；（质、膜、核的成分；（2）植物代谢中起作用植物代谢中起作用(通过通过ATP和各种辅酶和各种辅酶)（3）促进糖的运输；（促进糖的运输；（4）细）细胞液中的磷酸盐可构成胞液中的磷酸盐可构成缓冲体系；缓冲体系；缺缺P缺缺P：分枝少、矮小、叶色暗绿或紫红分枝少、矮小、叶色暗绿或紫红多多P:叶片部位小焦斑，易妨碍水稻对叶片
8、部位小焦斑，易妨碍水稻对Si的吸收，易导致缺锌。的吸收，易导致缺锌。K 以离子状态存在以离子状态存在 生理作用生理作用（1）体内体内60多多种酶的活化剂；（种酶的活化剂；（2）促进）促进蛋白质、糖的合成及糖的运蛋白质、糖的合成及糖的运输；（输；（3）增加原生质的水）增加原生质的水合程度，提高细胞的保水能合程度，提高细胞的保水能力和抗力和抗 旱能力；（旱能力；（4）影响）影响着细胞的膨压和溶质势，参着细胞的膨压和溶质势，参与细胞吸水、气孔运动等。与细胞吸水、气孔运动等。缺缺K：叶缺绿、生长缓慢、叶缺绿、生长缓慢、易倒伏。易倒伏。缺缺KS：SO42-含含S氨基酸氨基酸(Cys,Met)几乎是所的蛋
9、白质的几乎是所的蛋白质的构成成分构成成分;Cys-Cys系统能影响细胞中的氧化还系统能影响细胞中的氧化还原过程；是原过程；是CoA、硫胺素、生物素的成分，与体、硫胺素、生物素的成分，与体内三大类有机物的代谢密切相关。内三大类有机物的代谢密切相关。Ca:Ca2+,细胞壁胞间层果胶钙的成分；与细细胞壁胞间层果胶钙的成分；与细胞分裂有关；稳定生物膜的功能；可与有机酸结胞分裂有关；稳定生物膜的功能；可与有机酸结合为不溶性的钙盐而解除有机酸积累过多时对植合为不溶性的钙盐而解除有机酸积累过多时对植物的危害；少数酶的活化剂；作为第二信使，也物的危害；少数酶的活化剂；作为第二信使，也可与钙调素结合形成复合物，
10、可与钙调素结合形成复合物，传递信息，在植传递信息，在植物生长发育中起作用。物生长发育中起作用。植物细胞对矿质元素的吸收质膜的存在使细胞相对独立于外界环境因而生命活动得以在一个相对稳定的微环境中进行，同时质膜又在细胞和外界环境进行物质和信息交换的过程中起着重要的作用。植物细胞对矿质元素的吸收 一、离子的选择性吸收溶质跨细胞传递有两个特点：积累与选择性积累逆浓度吸收选择性吸收的离子不与溶液中的离子成例 吸收不带电的溶质取决于溶质在膜两侧吸收不带电的溶质取决于溶质在膜两侧的浓度梯度，即溶质的的浓度梯度，即溶质的化学势化学势。吸收带电的离子取决于膜吸收带电的离子取决于膜 两侧的两侧的电势梯电势梯度和化
11、学势梯度度和化学势梯度，两者合称为电化学势梯，两者合称为电化学势梯度。度。二、细胞吸收离子的方式和机理 方式：离子通道运输 载体运输 离子泵运输 胞饮作用（一）离子通道运输 被动吸收 离子通道运输理论认为：细胞质膜上有内在蛋白构成的圆形孔道，横跨膜的两侧，离子通道可由化学方式及电化学方式激活，控制离子顺着浓度梯度和膜电位差，（即电化学势梯度）被动地和单方向地垮质膜运输。离子通道运输 高高低低电化学势电化学势梯度梯度细胞外侧细胞外侧细胞内侧细胞内侧离子通道运输离子的模式离子通道运输离子的模式 K+、-、Ca2+、NO3-每秒可运输每秒可运输107-108个离子个离子,比载体运输快比载体运输快10
12、00倍倍 离子通道蛋白离子通道蛋白：K+、Cl-、Ca2+、NO3-等离子通道。膜等离子通道。膜内在蛋白构成圆形孔道，横跨膜两侧。内在蛋白构成圆形孔道，横跨膜两侧。构象可随环境条件的改变而改变。在构象可随环境条件的改变而改变。在某些构象时，会形成允许离子通过的孔，某些构象时，会形成允许离子通过的孔，孔内带有电荷并填充有水。孔内带有电荷并填充有水。孔的大小及孔内电荷等性质决定了通孔的大小及孔内电荷等性质决定了通道转运离子的选择性，即一种通道常常只道转运离子的选择性，即一种通道常常只允许某一种离子通过。允许某一种离子通过。离子的带电荷情况及其水合规模决定离子的带电荷情况及其水合规模决定了离子在通道
13、中扩散时的通透性的大小了离子在通道中扩散时的通透性的大小（二）载体运输 被动吸收或主动吸收 内容：质膜上的载体蛋白选择性地与质膜一侧的物质结合，形成载体-物质复合物，通过载体蛋白构象的变化透过质膜，把物质释放到质膜的另一侧。载体蛋白有：单向运输载体、同向运输器、反向运输器。单向运输载体模型 被动运输低溶质梯度高溶质梯度电化学势梯度A、载体开口于高溶质浓度的一侧，与溶质结合B、载体催化溶质顺电化学势梯度跨膜运输Fe2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+（三）离子泵运输主动吸收 内容：质膜上的ATP酶催化ATP水解放能，驱动离子的转运。离子泵主要有：质子泵和钙泵 1、质子泵 质膜上的H+-ATP酶可被
14、钒酸盐抑制，而液泡膜上的H+-ATP酶被硝酸盐抑制，Cl-.Br-.I-等对此酶有抑制作用。（四）胞饮作用 胞饮作用:物质吸附在质膜上，通过膜的内折而转移到细胞内的吸收物质及液体的过程。胞饮作用是一种非选择性吸收。一、根毛区是根系吸收离子最活跃的区域。植物对矿质元素的吸收和运输共质体运输共质体运输Symplastic route质外体运输质外体运输Apoplastic route By Clemens S.By Clemens S.By Clemens S.By Clemens S.By Clemens S.信号传导信号传导接收器接收器?缺铁症状缺铁症状Fe(III)质子和有机酸分泌质子和有机
15、酸分泌三价铁还原酶三价铁还原酶 二价铁转运蛋白二价铁转运蛋白 根形态改变根形态改变根部缺铁反应系统根部缺铁反应系统调控基因调控基因Fe(II)代谢利用代谢利用Cd2+Zn2+Strategy I:non-gramineousStrategy II:gramineousImportant chelators for metal homeostasis and distribution NA PCs MTs Organic acid Histidine Phytate EDTAHaydon and Cobbett,2007BSOEdited from Cobbett(2000)Cd2+PM韧皮部木
16、质部薄壁细胞中柱鞘内皮层皮层表皮PCs?功能鉴定功能鉴定ICPICP分析分析Rb37S16Ba56样品制备样品制备生物信息学生物信息学植物生长植物生长数据库数据库离子组学离子组学BaCaCdFeKLiMgMnMoNaPRbSZnS.D from mean value(Z)-4-2024681 0Schematic Diagram of Ion Genomics ScreenLahner B,Gong J-M et al.,2003.Nature Biotech.Identification of mutants with comparative ICP profiles between M2
17、and M3 populationWT variation rangeWT variation rangeMasking bulk segregant(MABS)analysis in microarray-based cloningPMMMPMMMWTDNA poolF2 mutantDNA pool1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11ProbeIIIIIX XF2 populationICPScreenIM WTF2 mutantsRecessive FN1148 mutant overaccumulates Na+in shoots BaCaCdFeKLiMgMnMoNaPRb
18、SZnS.D from mean value(Z)-4-20246810NaP=4.56E-10n=10 for putative mutantABFour putative deletions were predicted by comparative analyses of two independent experimentsNote:The red color intensity represents signal decrease in mutantA 523bp genomic deletion in the AtHKT1 gene was identified in FN1148
19、 by microarray-based cloning NCIIIVIIIIIIVIIVIVIVPaPdPcPb Modified from Maser et al.2002.PNASAtHKT1AtHKT1 complements the salt sensitive phenotype of FN1148 40mM Na+ControlFN1148 AtHKT1:FN1148 WT我们发展了一个全新的功能基因组学新方法：离子组学。并以我们发展了一个全新的功能基因组学新方法：离子组学。并以此为工具分离到了此为工具分离到了51个离子累积突变体。个离子累积突变体。基于寡核甘酸的基因芯片克隆技术
20、能有效分离基于寡核甘酸的基因芯片克隆技术能有效分离ICP突变体、代突变体、代谢突变体、信号转导突变体以及其它需要复杂表型鉴定的突变体，谢突变体、信号转导突变体以及其它需要复杂表型鉴定的突变体，如如QTL的克隆。的克隆。屏蔽群体分离（屏蔽群体分离（MABS）极大地提高了基因芯片克隆技术的可）极大地提高了基因芯片克隆技术的可操作性。操作性。考虑到该方法建立在逐个分析大约考虑到该方法建立在逐个分析大约50万单个探针的水平上，万单个探针的水平上，因此重复实验有助于排除假阳性结果，尤其考虑到该方法用基因因此重复实验有助于排除假阳性结果，尤其考虑到该方法用基因组组DNA和基因芯片杂交。和基因芯片杂交。优化
21、的探针覆盖率和更长的寡核甘酸探针（如优化的探针覆盖率和更长的寡核甘酸探针（如NimbleGen和和 Agilent的的60 mer芯片）有助于检测出小的基因突变，同时也有芯片）有助于检测出小的基因突变，同时也有利于减少杂交背景。利于减少杂交背景。Nature Biotech.2003;PNAS,2004小结小结Future chips ideal for chip-based mappingNO3-长途转运及再分配的分子调控机理长途转运及再分配的分子调控机理Edited from Masclaux et al.,2001uptake？Young or mature leavesApoplast
22、Symplast1.C/N代谢的直接偶联需要NO3-转移到地上部位。2.环境因素与NO3-在植物地下和地上部位的分配。3.地上/地下部位再分配的调控机制及生物学意义？NRT1.8是硝酸根代谢途径中唯一受逆境是硝酸根代谢途径中唯一受逆境（镉）强烈诱导表达的基因（镉）强烈诱导表达的基因NRT1.8 是一个是一个 pH依赖的低亲和力依赖的低亲和力NO3-转运蛋白转运蛋白C*()aabbbAabbbBDKm=7mMVmax=-638 nANRT1.8 在木质部薄壁细胞的细胞质膜表达在木质部薄壁细胞的细胞质膜表达ACBDEFXPXPXVXVPCPCXVTWTWTWXPBCDAEFNRT1.8的基本功能是
23、将硝酸根从木质部中卸载出来的基本功能是将硝酸根从木质部中卸载出来*Xylem sap NO3-conc.(mM)ShootsRootsXXXVXPXPNRT1.518S rRNAS L R S L RCK Cd2+NRT1.818S rRNA 0 40 40 200 (uM Cd2+)0 6h 54h 6hB 0 40 40 200 (uM Cd2+)0 6h 54h 6hACNRT1.8与与NRT1.5受逆境反向协同调节受逆境反向协同调节 DShootsRootsNRT1.8NRT1.5Normal?硝酸根长途转运及再分配调控模型硝酸根长途转运及再分配调控模型ShootsRootsNRT1.
24、8NRT1.5Stress?硝酸根长途转运及再分配调控模型硝酸根长途转运及再分配调控模型NRT1.8调节调节NO3-的长途转运及逆境条件下向的长途转运及逆境条件下向根部的分配，并提高植物对镉的抗性根部的分配，并提高植物对镉的抗性 Li et al.2010,The Plant CellWs nrt1.8-1 B Col 0 nrt1.5-3 nrt1.5-4StressesNO3-RNO3-SNRT1.8NRT1.5Cd2+toleranceQuestion：NRT1.5是否确实是另外一个调控因子？NO3-再分配对于逆境抗性是否具有普遍意义？A0 24h NRT1.5Actin 2 0 6h
25、10%PEG 200 M CdCl20 3h 6h 12hNRT1.5Actin 2 150 mM NaClBC-20-15-10-505 DCtl Na+PEG Cd2+NRT1.5 expression(FC)Down-regulation of NRT1.5 by various stressesEnhanced tolerance to various stresses in nrt1.5 mutants Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4Re-watered Drought ControlACol-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4 Col-0 nrt1.5-3 nr
26、t1.5-4 Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4 x MS125 mM NaCl50 M CdCl2CBDE Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-40123Ctl125mM Na50M CdRoot elongation rate(cm)Col 0nrt1.5-3nrt1.5-4*0204060801000100150200（mM）Seed germination rate(%)Col 0nrt1.5-3nrt1.5-4*02040608003060120180(min)Col 0nrt1.5-3nrt1.5-4Water loss rate (%FW)0 30 60 90
27、 120 150 180 shootrootshootrootCtlNaClmole NO3-g-1 FWCol 0nrt1.5-3nrt1.5-40.280.510.510.30.510.55BCA0306090120150180shootrootshootrootCtlPEGmole NO3-g-1 FWCol 0nrt1.5-3nrt1.5-40.270.460.490.320.510.470 30 60 90 120 150 180 shootrootshootrootCtl Cdmole NO3-g-1 FWCol 0nrt1.5-3nrt1.5-40.28 0.460.480.38
28、 0.590.66Increased nitrate allocation into roots of nrt1.5 mutantsNitrate distribution is altered in nrt1.8-1 mutant under Cd2+stress0.380.370.360.510.320.44ABLi et al.,2010 Plant Cell,22:1633-Altered Na+or Cd2+distribution in nrt1.5 mutant0500010000150002000025000shootroot Na+g g-1 DWCol 0nrt1.5-3n
29、rt1.5-40.360.59 0.58B04008001200160020002400shootroot Cd2+g g-1 DWCol 0nrt1.5-3nrt1.5-42.55 3.49 3.5301.534.567.59Col 0nrt1.5-3nrt1.5-4xylem sap Cd 2+(ppm)04080120160200Col 0nrt1.5-3nrt1.5-4xylem sap Na+(ppm)CDAABCSteadily increased expression of key genes in stress response pathwaysCtl NaClNHX1HKT1
30、SOS3SOS2SOS1Actin2Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4ShootCtlPEGCol-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4 Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4ShootCIPK3NCED3P5CS1RD29AActin2RootCIPK3NCED3P5CS1RD29AActin2NHX1HKT1SOS3SOS2SOS1Actin2RootCtl Cd 2+Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4Col-0 nrt1.5-3 nrt1.5-4ShootRootAtPCS1Actin2AtPCS1Actin
31、2Conclusion:1.NRT1.5是逆境硝酸根再分配的另一个重要调控因子；是逆境硝酸根再分配的另一个重要调控因子；2.硝酸根再分配应该是一种逆境适应的普适机制（硝酸根再分配应该是一种逆境适应的普适机制（Na，Cd，Drought）。）。3.二者介导的硝酸根再分配具有共通的下游调控机制调节逆境耐性。二者介导的硝酸根再分配具有共通的下游调控机制调节逆境耐性。？StressesNO3-RNO3-SNRT1.8NRT1.5Stress toleranceQ1-unanswered：1)NRT1.5下调是一个主动过程，还是一个被动抑制机制？抑或是糖向根部分配后的一个反馈抑制过程？2)硝酸根再分配信
32、号如何具体如何调控Stress tolerance?？BSOEdited from Cobbett(2000)Cd2+PMcmyc融合标签不影响融合标签不影响SpHMT1的功能的功能A 1 10-1 10-2 10-3 1 10-1 10-2 10-3 1 10-1 10-2 10-3 V/LK100HMT1/LK100KHMT1/LK100V/Sp2230 M CdCl2 50 M CdCl2 200 M CdCl2B改造后的改造后的SpHMT1能在拟南芥中成功表达能在拟南芥中成功表达C cad1-3 M10-8 M1-12 Col-0 W2-11 W3-13 W7-3 SpHMT1 Act
33、inB SpHMT1 ActinNOS-ProNPTII(Kan R)NOS-terCaMV35SSpHMT1NOS-terRBLBcmycpstI sphI xbaI BamHI SpeI SacI EcoRI EcoRI BamHI HindIII HindIII sphI PstIASpHMT1:cmyc-pBI121SpHMT1在植物中仍定位于液泡膜在植物中仍定位于液泡膜 Bar=100uM control HMT1-EGFP Bar=20uM control EYFP-HMT1SpHMT1基因在植物重金属解毒机基因在植物重金属解毒机制中是否起作用？制中是否起作用？Col-0 W2-1
34、1 W7-3 Col-0 W2-11 W7-3 Col-0 W2-11 W7-3 Col-0 W2-11 W7-3A Cd B As D ZnC CuEF0100200300Cd50As150Cu40Zn150ug g-1 FW(M)Col-0W2-11SpHMT1能增强能增强Col-0对对Cd、As、Cu、Zn等重金属的抗性和积累等重金属的抗性和积累SpHMT1能增强能增强Col-0对对Cd、As、Cu、Zn等重金属的抗性和积累等重金属的抗性和积累 Col-0 W2-11 W7-3A00.511.522.5Col-0W2-11W7-3FW(mg/plant)BCDCK Col-0 W2-11
35、 W7-3 Col-0 W2-11 W7-3ABECDSpHMT1的功能受的功能受GSH生物合成抑制剂生物合成抑制剂BSO的抑制的抑制BSO+CdBSOSpHMT1不能增强不能增强PCs缺失突变体缺失突变体cad1-3对镉的抗性和积累对镉的抗性和积累cad1-3 M10-8 M1-12 cad1-3 M10-8 M1-12ABCD0123456CKCd5Cd2+ug g-1 FW(uM)cad1-3M/10-8M/1-12CKCdSpHMT1介导的镉液泡区室化依赖于介导的镉液泡区室化依赖于PCsnmol Cd2+/mol p-nitrophenol min-1PCs和和GSH是否都在植物镉液泡
36、区室是否都在植物镉液泡区室化中起作用？相对贡献如何？化中起作用？相对贡献如何？Marker protoplast vacuole%in vacuole acid phosphatase(nmol/min 2.950.6 2.970.72 100.7Cyt c oxidase(nmol/min)113.926.83 NDa 0Chl(g)210.3526.64 NDa 0Protein(g)2226.17117.20 47.789.47 2.15 a Not detectable原生质体和液泡的提取及鉴定原生质体和液泡的提取及鉴定 液泡质量检测液泡质量检测PCs在拟南芥镉的液泡区室化中起主要作用
37、在拟南芥镉的液泡区室化中起主要作用nmol Cd2+/mol p-nitrophenol min-1050100150200Col-0cad1-3cad2-1 vacuoleprotoplast97.534.924.804080120Col-0cad1-3cad2-1Cd in vacuole(%)ABCd contentCd distribution PCs缺失缺失GSH缺陷缺陷Col-0 液泡中能检测到液泡中能检测到PCs但检测不到但检测不到GSH(min)(min)(min)(min)ProtoplastVacuoleCol-0cad1-3cad2-1StandardsEPC2PC3 P
38、C4GSHGSHPC2 PC3 PC4GSHPC2 PC3 PC4ABCD65%1318%MODEL1722%Huang J,et al.,2012 Plant Physiol.Song W et al.PNAS 2010;107:21187-21192AtABCC1&2 are the PCs-transporters in ArabidopsisPark J et al.Plant J 2012;69:278-AtABCC1&2也也是主要的镉跨液是主要的镉跨液泡膜转运蛋白泡膜转运蛋白SpHMT1的遗传操作能否降低植物地的遗传操作能否降低植物地上部分和种子中镉的积累？上部分和种子中镉的积累？
39、SpHMT1延迟了镉向地上部分的转运延迟了镉向地上部分的转运*040080012001600SLRCd2+ug g-1 DW*0300600900120015001800SLRCd2+ug g-1 DWCABCd10uM/24h 3d7d*051015202512h24h3dCd2+ppbXylem SapsDADEFC67091111420 25 50 75 100 LRAs ug g-1 DWCol0 A5-9 A26-4BSpHMT1的根特异性表达能降低地上的根特异性表达能降低地上部分和种子中有毒重金属的含量部分和种子中有毒重金属的含量CdAsCuABCDY scale 根 茎cad1-
40、3WTAdh/cad1-3StandardsPC2 PC3 PC4 PC2 PC3 PC4(min)(min)(min)(min)Gong JM et al.,2003 PNAS重金属镉向植物地上部位富集的机理重金属镉向植物地上部位富集的机理信号传导信号传导接收器接收器?缺铁症状缺铁症状Fe(III)质子和有机酸分泌质子和有机酸分泌三价铁还原酶三价铁还原酶 二价铁转运蛋白二价铁转运蛋白 根形态改变根形态改变根部缺铁反应系统根部缺铁反应系统调控基因调控基因Fe(II)代谢利用代谢利用Cd2+Zn2+Strategy I:non-gramineousStrategy II:gramineousRi
41、ce Ionomics Research Project(RIRP)Edited from Nature Biotech.2003Rice grain Ionomes in genetically diverse accessionsNatural variation of cadmium content in rice grain was identified by Ionomics profiling 1931941899141Chr.10Dist.(cM)MarkerRM527117.519.0RM216RM46710.6RM271RM11086.1RM304RM25818.014.7q
42、CAG10Chr.3Dist.(cM)Marker33.921.0RM626618.511.715.78.73.5RM504RM1350RM3919RM426RM2334RM5813RM520bRM520RM143RM700024.42.810.34.6RM570RM514RM8513.08.5RM489RM545RM2311.1RM33318.2RM717.3RM2516.7RM328010.0RM5480RM1022RM2829.10.00.00.0Chr.4Dist.(cM)MarkerRM307RM347113.6RM548RM401RM3356.411.96.8RM699728.01
43、0.5RM1155RM37354.430.86.817.8RM3276RM280RM1113RM255RM2527.820.0Chr.2Dist.(cM)MarkerRM7451RM145RM5216.62.57.12.04.4RM1358RM341RM525RM526RM2632.424.949.23.51.512.63.1RM154RM3188RM492RM373216.56.223.7RM324RM290RM318RM450RM5472RM2408.59.713.3RM5607RM250RM425RM208RM166RM2072.05.211.52.21.52.4RM48RM5350.0
44、qCAG2qCAG3qCAS2-1qCAS2-2qCAS4OsVIT1,OsVIT2的功能研究Kim et al.,Science,2006(c)(f)(a)(d)(g)(b)(e)(h)(i)OsVIT1,OsVIT2蛋白位于液泡膜(a)100 10-1 10-2 Ctl 7.5mM FeSO4100 10-1 10-2WT ccc1OsVIT1VectorOsVIT2VectorWT zrc1100 10-1 10-2100 10-1 10-2 Ctl 5mM ZnSO4VectorOsVIT1OsVIT2Vector(b)0102030405060Vac.Zn(ng/mg protein
45、)024681012Vac.Fe(ng/mg protein)*(c)(d)pYES2OsVIT1 ccc1 DY150 zrc1 CM100OsVIT2pYES2pYES2OsVIT1OsVIT2pYES2OsVIT1,OsVIT2具有铁、锌转运活性(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)OsVIT1,OsVIT2功能缺失导致种子中积累更多的铁050100150200250300350FeZnMnCuMetal conc.(g/g DW)Zhonghua11Dongjinosvit1-1osvit2-1osvit1-1osvit2-10102030405060708090FeZnMnCuM
46、etal conc.(g/g DW)*(b)(a)00.10.20.30.4SrSlStFlbFlsP1P2P3EmbRelative expression level OsVIT1OsVIT2020406080100Zn Content(g/g DW)*(b)0100200300400500600700Fe Content(g/g DW)(a)*osvit1-1X osvit2-1osvit2-1osvit1-1DongjinZhonghua11osvit1-1X osvit2-1osvit2-1osvit1-1DongjinZhonghua11种子中铁富集可能是由于增强的源库分配引起Vec
47、torOsVIT1100 10-1 10-2100 10-1 10-2OsVIT2Vectorycf1WTCtl60M CdCl200.10.20.3Zhonghua11osvit1-1Dongjinosvit2-1osvit1-1osvit2-1Cd2+(g g-1 DW)*Unexpected Cd overaccumulation?Zhang Y et al.,under review选择题：1）对重金属去毒化起关键作用的螯合肽PC合成途径中的直接前体物质是（）A:SAM,B:EC,C:GSH,D:NA思考题：2）矿质元素吸收转运中的重要螯合物都有那些？谈谈其中几种重要螯合剂的作用途径及机制
