水稻鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積機(jī)理研究進(jìn)展

薛欣月 于雪然 劉曉剛 馬嘉欣 田蕾 李培富

（寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

鋅是人體必需的微量元素之一，主要分布于人體的肌肉、血液和骨骼中［1］，參與人體多種新陳代謝過程、包括DNA聚合酶等多種酶的合成、細(xì)胞分解、能量和其他物質(zhì)的代謝，其不足阻礙人體的生長發(fā)育［2］，鋅對(duì)人體健康具有十分重要的調(diào)控作用。目前，我國部分地區(qū)的兒童及青少年存在不同程度的鋅營養(yǎng)缺乏癥，但直接服用高鋅含量藥物不利于人體健康［2］。研究表明植物體中的鋅可以更安全、高效地被人體吸收，因此鋅在植物體中的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理受到研究者的高度重視［3］。水稻作為主要糧食作物，提高水稻籽粒鋅含量，將會(huì)有效緩解人類鋅缺乏的困境。研究水稻體內(nèi)鋅元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積機(jī)理，可以為富鋅水稻的創(chuàng)制奠定理論基礎(chǔ)。

1 鋅在水稻體內(nèi)的生理功能

1.1 生物體內(nèi)多種酶的組分和活化劑

鋅在生物體內(nèi)主要以二價(jià)陽離子形態(tài)（Zn2+）存在，且是多種酶的組成成分。研究表明，動(dòng)物、植物、微生物中至少已鑒定出300多種酶的活性與功能受到鋅元素的調(diào)節(jié)［4］。其中，參與水稻生理功能的鋅酶（zinc enzymes）主要分為含鋅金屬酶和需鋅酶兩大類（表1）。

表1 鋅酶及其可能功能Table 1 Zinc enzymes and their possible functions

鋅是水稻體內(nèi)多種含鋅酶的組成成分，在含鋅酶中主要發(fā)揮的作用包括催化作用、結(jié)構(gòu)功能、輔酶、共催化功能等。碳酸酐酶存在于水稻葉綠體外膜，參與光合作用［7］，當(dāng)水稻植株內(nèi)鋅元素缺乏程度加劇時(shí)，葉片中碳酸酐酶的活性降低，阻礙了水稻植株的光合作用，水稻產(chǎn)量將會(huì)大幅降低［5］。鋅是合成谷氨酸過程中必不可少的元素，是谷氨酸脫氫酶（GDH）的主要成分，谷氨酸脫氨酶普遍存在于水稻線粒體內(nèi)，在水稻碳氮代謝中具有重要作用［8］。鋅是醛縮酶的激活劑，醛縮酶主要存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，參與水稻光合作用碳代謝過程。銅鋅超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）是1種重要的含鋅金屬抗氧化酶，主要存在于水稻細(xì)胞質(zhì)和葉綠體中［9］，其中含有Cu2+和Zn2+兩個(gè)金屬輔基，銅鋅超氧化物歧化酶對(duì)水稻抗氧化、抗逆、抗衰老具有重要意義，Sen等［13］研究表明在水稻中具有充足的Cu/Zn-SOD時(shí)，能顯著提高水稻的抗鹽、抗旱及抗寒性等。

鋅是水稻體內(nèi)過氧化氫酶（catalase）、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（rubisco）、過氧化物酶（peroxidase）等多種需鋅酶的活化因子。過氧化氫酶分布于水稻葉綠體中，參與光呼吸、共生性氮固定，當(dāng)鋅營養(yǎng)缺乏時(shí)，CAT活性降低，容易導(dǎo)致生物膜的過氧化損傷，引起有機(jī)物和無機(jī)物從根細(xì)胞滲漏［7］。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶是光合作用碳反應(yīng)中重要的羧化酶，當(dāng)水稻中鋅營養(yǎng)適當(dāng)時(shí)，有利于光合色素的形成，Rubisco活性增強(qiáng)，保證光合作用正常進(jìn)行，促進(jìn)水稻種子萌發(fā)、根系發(fā)育［10］。過氧化物酶可促進(jìn)水稻光合作用、呼吸作用，研究表明，不同濃度Zn2+對(duì)水稻體內(nèi)的POD活性影響不同［12］。

1.2 參與生長素的合成

鋅元素能促進(jìn)水稻體內(nèi)吲哚和絲氨酸合成色氨酸，而色氨酸是生長素合成的必要條件，因此鋅間接影響生長素的形成。鋅缺乏會(huì)導(dǎo)致水稻中生長素含量降低，從而使水稻植株矮?。?4］。水稻生長旺盛的部位都含大量的鋅和生長素［15-17］，缺鋅會(huì)使植株中生長素含量降低，影響植株生長發(fā)育速度，蛋白質(zhì)合成受阻，生物量明顯下降，結(jié)實(shí)率下降、空秕率上升，從而影響產(chǎn)量和品質(zhì)［18］。

1.3 參與光合作用

Rubisco是水稻體內(nèi)重要的需鋅酶，存在于水稻葉綠體中，是水稻光呼吸以及光合作用中決定碳同化速率的關(guān)鍵酶［21］。植株體內(nèi)鋅含量過低時(shí)Rubisco活性降低，導(dǎo)致ATP中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程受到抑制［10］。1，6-二磷酸果糖酶主要存在于葉綠體中，參與光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)，1，6-二磷酸果糖酶是葉綠體中裂解六碳糖的關(guān)鍵酶，在植物缺鋅時(shí)該酶活性顯著降低，導(dǎo)致光合產(chǎn)物向細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)受到抑制［7］。

1.4 鋅與水稻病害

鋅的抗病性可能與鋅在維持膜的結(jié)構(gòu)和功能方面的重要作用有關(guān)，對(duì)根系生物膜的保護(hù)作用尤為突出［22-24］。當(dāng)水稻缺鋅時(shí)，植株對(duì)病原體的抗性減弱，體內(nèi)的天門冬酰胺和谷氨酰胺含量增加，加速了病原體的侵染和生長，導(dǎo)致水稻病害加重。此外，缺鋅水稻根際碳水化合物和游離氨基酸滲出量增多，致使病原菌快速繁殖［25］。

水稻缺鋅引發(fā)水稻縮苗病，往往在土壤有效鋅含量低或氨鋅比例失調(diào)時(shí)發(fā)病。輕度缺鋅時(shí)，葉片出現(xiàn)褐色斑點(diǎn)，葉片失綠變白；缺鋅嚴(yán)重時(shí)，植株生長受到抑制，新葉變小、植株矮小，致使水稻不能抽穗，明顯矮縮［26-27］。

2 水稻鋅的生物強(qiáng)化

水稻是世界上最重要的農(nóng)作物之一，在全球大部分地區(qū)都有種植，是人類重要的主食之一。據(jù)估計(jì)，人類消耗的熱量中有19%來自大米［28］。然而，稻米中的鋅等礦物質(zhì)含量低，因此鋅是人類飲食中最常缺乏的營養(yǎng)元素［29］。在谷物中，大米的礦物質(zhì)含量和遺傳變異性都是最低的［30］，考慮到大米的廣泛消費(fèi)和低營養(yǎng)品質(zhì)，水稻的生物強(qiáng)化被認(rèn)為是向人類提供鋅含量增加谷物的最佳解決方案之一。生物強(qiáng)化是指使植物在其可食部分（如籽粒、葉子和根）積累更高濃度的可利用營養(yǎng)元素［30-31］。人們可通過增加稻米中鋅的絕對(duì)含量來改善人體鋅缺乏［32］。但稻米中存在植酸［33］、纖維素等因素，導(dǎo)致膳食中鋅的生物有效性低［34］。研究表明在水稻中，植酸與二價(jià)離子（如 Zn2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+）形成絡(luò)合物，礦物的生物有效性顯著降低［35-36］，所以要通過提高水稻籽粒有效鋅以及稻米中鋅的絕對(duì)含量來進(jìn)行生物強(qiáng)化。

3 鋅與水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)系

鋅在水稻的生長發(fā)育中具有不可替代性。鋅是水稻多種酶的構(gòu)成元素，也參與光合作用、激素合成等多種重要的生理生化反應(yīng)，在水稻的不同生育時(shí)期發(fā)揮著重要作用，從而影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。

根據(jù)現(xiàn)有工藝流程，將硝化工藝的循環(huán)泵出口管線分成兩路，第一路繼續(xù)將好氧池底部的活性污泥循環(huán)至好氧池頂部，不影響硝化工藝的正常運(yùn)行；第二路將好氧池底部的活性污泥循環(huán)至厭氧池，使其進(jìn)行反硝化反應(yīng)。并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一、二兩路的閥門開度，控制進(jìn)入好氧池、厭氧池的循環(huán)污泥比例，使中水系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。

3.1 鋅與水稻產(chǎn)量

祁明等［37］研究發(fā)現(xiàn)，在石灰性土壤中水稻易發(fā)生缺鋅現(xiàn)象，水稻分蘗期缺鋅非蛋白氮含量顯著增加，蛋白氮總量減少。水稻內(nèi)雙氨基和多氨基的氨基酸含量明顯降低，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成受阻。王孟蘭［38］研究表明，在缺鋅的土壤上施用鋅肥，可有效促進(jìn)氮素吸收，通過增加單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)增加水稻產(chǎn)量，但施鋅量過高會(huì)抑制水稻對(duì)鋅的吸收，并導(dǎo)致減產(chǎn)，水稻產(chǎn)量隨施鋅量的增加而先遞增后減少。麥日桂［39］研究表明，在水稻生長期間，增施鋅肥能有效改善水稻的農(nóng)藝性狀，以達(dá)到增產(chǎn)提質(zhì)目標(biāo)。

3.2 鋅與水稻品質(zhì)

施用鋅肥可改善稻米品質(zhì)，如提升稻米的食味值和香味，鋅可增強(qiáng)水稻植株的光合作用，促進(jìn)糖類代謝，改善稻米口感［40］。張麗等［41］研究發(fā)現(xiàn)，基施鋅肥或基施+噴施鋅肥可有效增加稻米的蛋白質(zhì)含量，合理噴施鋅肥可有效增加水稻籽粒中鋅含量的積累，改善水稻籽粒營養(yǎng)品質(zhì)，如降低稻米碳水化合物含量等。袁少文等［42］研究表明，稻米中鋅含量與噴施鋅肥濃度呈正相關(guān)，噴施濃度為2.5%時(shí)，稻米中鋅含量最高。

4 水稻不同營養(yǎng)器官鋅吸收途徑

水稻植株對(duì)鋅元素的吸收主要通過兩種方式進(jìn)行。一方面通過水稻根系通過土壤中有效鋅的吸收及鋅肥施用進(jìn)行吸收，另一方面通過鋅的葉面噴施鋅肥的方式進(jìn)行鋅吸收。

4.1 水稻根系鋅吸收途徑

水稻根系鋅吸收途徑主要有兩種，分別是質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑，共質(zhì)體途徑為主要方式［43］。質(zhì)外體途徑為自由擴(kuò)散，無能量消耗，共質(zhì)體途徑為主動(dòng)運(yùn)輸，消耗能量。Zn2+通過被動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)輸由細(xì)胞膜進(jìn)入根系細(xì)胞，在根中Zn2+從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞裝載到木質(zhì)部［44］。

4.2 水稻葉片鋅吸收途徑

水稻葉片鋅吸收途徑主要是葉面噴施鋅肥。葉片對(duì)鋅的吸收主要通過氣孔或表皮細(xì)胞進(jìn)入葉片表皮。但是由于葉片表面張力作用，純水很難自由進(jìn)入氣孔，所以要借助外部力量，在葉面鋅肥中加入表面活性劑可以降低葉片表面的張力，增加水稻葉片對(duì)鋅肥的吸收量［45-46］。但有些表面活性劑會(huì)對(duì)水稻植株產(chǎn)生毒害作用，影響植株光合作用，所以要注意表面活性劑的用量。Zn2+最后大部分積累在葉、莖和籽粒中，而不是根部［47］。

5 水稻植株鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響因素

水稻植株在進(jìn)行鋅的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程中會(huì)受到內(nèi)在因素和外在因素的影響，制約水稻植株對(duì)鋅的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)。內(nèi)在因素包括水稻品種多樣性、水稻生育時(shí)期的影響和水稻籽粒鋅含量相關(guān)QTLs的影響。外在因素包括土壤理化性質(zhì)和農(nóng)藝措施的影響［32］。

5.1 內(nèi)在因素

5.1.1 水稻品種多樣性 不同水稻品種對(duì)鋅的吸收積累量存在顯著差異。Yang等［48］對(duì)285份水稻品種的籽粒礦質(zhì)元素含量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)籽粒中鋅含量秈稻＞粳稻，紅米＞白米。研究表明云南稻核心種質(zhì)的鋅含量，地方品種明顯高于改良品種，地方稻核心種質(zhì)的鋅含量在秈粳、光殼與否及有無芒之間差異不顯著，但水陸、軟米與普通米、紫米與紅米間的鋅含量差異極顯著，以陸稻鋅含量最高，軟米則最低［49］。Gregorio等［50］對(duì) 1 138 份不同來源的水稻品種籽粒鋅含量進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，鋅元素在不同種質(zhì)間的變異范圍為15.3-58.4 mg/kg。

5.1.2 水稻生育時(shí)期 張標(biāo)金［51］研究表明，不同水稻品種在分蘗盛期對(duì)鋅的吸收能力均為最強(qiáng)，因?yàn)闋I養(yǎng)器官發(fā)育最關(guān)鍵的時(shí)期為水稻分蘗期，植株需大量的營養(yǎng)供生殖生長所需，此時(shí)根系活力增強(qiáng)，大量的礦質(zhì)元素儲(chǔ)存在根部。張濟(jì)龍等［52］發(fā)現(xiàn)植株灌漿期鋅含量低于成熟期，尤其是根和莖中的鋅含量，這可能是由于鋅在水稻根系中的積累濃度已達(dá)到峰值，而鋅在水稻根中的積累主要在水稻灌漿期進(jìn)行。但當(dāng)鋅濃度低于0.1 mg/L時(shí)，植株在灌漿期對(duì)鋅的吸收量與成熟期相近。

5.1.3 水稻籽粒鋅含量相關(guān)QTLs 鋅在水稻籽粒中的積累受多基因控制，不同水稻品種籽粒鋅含量的差異也受不同基因控制，國內(nèi)外學(xué)者在水稻每條染色體上都發(fā)現(xiàn)了控制水稻籽粒鋅含量的QTL（表2）。

表2 水稻籽粒鋅含量相關(guān)QTL簡表Table 2 A brief list of QTLs related to zinc content in rice grains

雖然近年在有關(guān)水稻籽粒鋅含量的QTL定位的研究取得了一定進(jìn)展，但由于水稻控制鋅含量的遺傳機(jī)制較為復(fù)雜，所以對(duì)相關(guān)基因的精細(xì)定位和克隆研究一直進(jìn)展較慢。這些研究不僅為眾多學(xué)者在水稻籽粒鋅含量相關(guān)基因研究方面提供了經(jīng)驗(yàn)，也為進(jìn)一步闡明控制水稻籽粒鋅含量基因的功能分析和相關(guān)目標(biāo)基因的克隆奠定了基礎(chǔ)，使通過分子標(biāo)記輔助選擇指導(dǎo)富鋅水稻品種成為了可能。

5.2 外在因素

5.2.1 土壤理化性質(zhì) 土壤中的有效鋅可以反映土壤的供鋅能力［68］，有效鋅受成土母質(zhì)、土壤pH值等眾多因素的影響。水稻植株對(duì)鋅的吸收量因土壤質(zhì)地的不同而變化，水稻土和紅壤等類型的土壤有效鋅含量均較高，草甸風(fēng)沙土、石灰性紫色土和灌耕土等的有效鋅含量較低［69］。植株根系對(duì)鋅的吸收速率在砂土中明顯高于壤土及黏土。除此以外，水稻中的鋅元素來源于土壤有效鋅和土壤速效鋅，水稻植株可以直接吸收和利用土壤中的鋅元素。速效鋅可以衡量土壤的供鋅能力，當(dāng)其含量偏低時(shí)，水稻缺鋅癥狀加重［70］。

5.2.2 農(nóng)藝措施 施用鋅肥被認(rèn)為是一個(gè)水稻增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的有效措施。增施鋅肥可以促進(jìn)水稻生殖生長，增加粒重及產(chǎn)量。研究表明葉面噴灑鋅肥能提高果實(shí)及種子中鋅的積累量［17］。王晨等［71］研究表明施用硫酸鋅可有效提高水稻籽粒鋅含量，施鋅能提高水稻不同營養(yǎng)器官的鋅濃度，也可以通過施用氨基酸鋅復(fù)合物來增加鋅在籽粒中積累。

吳春勇等［23］認(rèn)為水稻盛花期噴灑CTK可促進(jìn)鋅在劍葉中的積累。研究表明增加施氮量可促進(jìn)水稻對(duì)鋅的吸收與累積，氮肥與鋅肥同時(shí)施用對(duì)水稻生長具有協(xié)助作用［72］，增施鋅肥能有效增加水稻籽粒的氮濃度和粗蛋白含量，其含量增加與施鋅量呈正相關(guān)［73］。

6 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

鋅是植物中重要蛋白結(jié)構(gòu)的輔助因子和活化劑。水稻中有大量的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與鋅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和再轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)水稻產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)都有重要影響［74］。水稻體內(nèi)Zn2+的轉(zhuǎn)運(yùn)與鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族密不可分。研究學(xué)者在多種高等植物中發(fā)現(xiàn)了鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，如YSL蛋白家族、ZIP蛋白家族、NRAMP蛋白家族（自然抗性巨噬細(xì)胞蛋白家族）、CDF蛋白家族、P1b-ATP酶、Mg2+/H+的反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族、三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等［74-76］。鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括鋅吸收蛋白以及鋅排出蛋白兩大類［77］。

6.1 鋅吸收蛋白種類

鋅吸收蛋白包括YSL蛋白家族、ZIP蛋白家族、NRAMP蛋白家族。

6.1.1 YSL蛋白家族 目前在擬南芥、玉米、小麥、水稻、大麥中都有發(fā)現(xiàn)YSL蛋白家族（yellow stripelike protein，YSL）的存在。YSL蛋白家族主要參與Fe2+、Mn2+、Cu2+等重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。但還未在水稻基因組中發(fā)現(xiàn)有關(guān)Zn2+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的的蛋白基因［78］。

6.1.2 ZIP蛋白家族 金屬穩(wěn)態(tài)對(duì)植物的生長、發(fā)育和對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)至關(guān)重要，主要由各種金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體控制。植物ZIP（Zn-regulated transporter，Iron-regulated transporter-like Protein）家族蛋白屬于負(fù)責(zé)吸收和分配必需和非必需金屬的完整膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。參與鋅吸收的蛋白為鋅調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)體（Zinc regulated transporter，ZRT），研究學(xué)者在擬南芥、水稻、苜蓿等植物中鑒定出多個(gè)ZIP基因［79-80］。已知水稻ZIP蛋白基因家族主要有9個(gè)鋅調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，分別為OsZIP1、OsZIP2、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP7、OsZIP8、OsIRT1，其表達(dá)部位、表達(dá)誘導(dǎo)條件及功能如表3所示。在水稻中，OsZIP4、OsZIP5、OsZIP7和OsZIP8在地上部和根中對(duì)鋅的分配中起著重要作用，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可用于提高鋅的吸收或分配，改善水稻生長。

表3 鋅吸收蛋白種類、功能及表達(dá)特征Table 3 Types, functions and expression characteristics of zinc absorption proteins

6.1.3 NRAMP蛋白家族 NRAMP蛋白家族為膜蛋白家族，廣泛存在于各種生物體內(nèi)，主要負(fù)責(zé)部分二價(jià)金屬陽離子的吸收。孫麗娟等［82］研究表明，水稻中OsNRAMP2和OsNRAMP3參與鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)，其表達(dá)部位均位于水稻根部。圖1為現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)水稻中11個(gè)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成員的氨基酸序列比對(duì)，其親緣關(guān)系如圖2所示。

圖1 鋅吸收蛋白氨基酸序列比對(duì)Fig.1 Amino acid sequence alignment of zinc uptake proteins

圖2 鋅吸收蛋白進(jìn)化樹Fig.2 Zinc-absorbing protein evolutionary tree

6.2 鋅排出蛋白種類

當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的鋅排出蛋白包括CDF蛋白家族、P1B型ATPases、Mg2+/H+的反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族、三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［76］。但目前還未在Mg2+/H+的反向交換轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中發(fā)現(xiàn)有關(guān)水稻Zn2+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的的蛋白基因。

6.2.1 CDF蛋白家族 CDF家族蛋白主要參與鋅、鎘和鎳離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，其作用是將過量的鋅離子排出細(xì)胞，避免過量的鋅對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害［83］。目前已發(fā)現(xiàn)有關(guān)水稻Zn2+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的的蛋白基因有OsMTP1和OZT1。OZT1在Zn、Cd脅迫下于水稻各部位處表達(dá)，參與鋅和鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)［78］。

6.2.2 P1B型ATPases 研究學(xué)者在水稻基因組中發(fā)現(xiàn)9個(gè)基因（OsHMA1-9）［84］，其中有3個(gè)基因?yàn)殇\調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，為OsHMA1、OsHMA2、OsHMA3，分別作用于水稻地上部、根、葉，基因轉(zhuǎn)運(yùn)功能如表4所示。OsHMA2在營養(yǎng)生長期主要在根系成熟區(qū)表達(dá)，在生殖期主要在節(jié)間達(dá)，它的表達(dá)不因鋅的有效性而改變。OsHMA2有助于鋅和鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)，特別是對(duì)發(fā)育中的組織［85］。

表4 鋅排出蛋白種類、功能及表達(dá)特征Table 4 Types, functions and expression characteristics of zinc excretion proteins

6.2.3 三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 OsPDR9是在水稻中發(fā)現(xiàn)的1種參與鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)的三磷酸結(jié)合盒蛋白，在Zn和Cd誘導(dǎo)下，OsPDR9在水稻幼苗的根中表達(dá)［79］。圖3為現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)水稻中6個(gè)鋅排出蛋白成員的氨基酸序列比對(duì)，其親緣關(guān)系如圖4所示。

圖3 鋅排出蛋白氨基酸序列比對(duì)Fig.3 Zinc excretion protein amino acid sequence alignment

圖4 鋅排出蛋白進(jìn)化樹Fig.4 Zinc excretion protein evolutionary tree

6.3 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白基因克隆

現(xiàn)已有大量研究表明鋅轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白可參與鋅的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及分配，深入研究其分子機(jī)制及其基因克隆，可為人們培育富鋅水稻奠定理論基礎(chǔ)。因此，研究學(xué)者對(duì)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白的基因克隆進(jìn)行了深入研究。目前已克隆的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白基因有 OsZIP1、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP8、OsIRT1、OsNRAMP3、OsMTP1、OsHMA2、OsHMA3、OsPDR9，基因分布如圖5所示。

圖5 已克隆鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因分布圖Fig.5 Distribution map of cloned zinc transporter

OsZIP1被認(rèn)為是一種鋅吸收轉(zhuǎn)運(yùn)體，也是一種限制水稻鋅過量積累的金屬外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其表達(dá)是在缺鋅的情況下誘導(dǎo)的［81］。OsZIP3主要在水稻根、葉處表達(dá)，在根中的表達(dá)受缺鋅誘導(dǎo)［86］。OsZIP4、OsZIP6、OsZIP8、在水稻地上部和根中表達(dá)，其表達(dá)是在缺鋅、鐵的情況下誘導(dǎo)的［76-77］。OsIRT1缺鐵時(shí)在水稻莖的韌皮部處表達(dá)［77］。OsHMA2、OsHMA3在缺鐵、鎘時(shí)分別在水稻根、葉處表達(dá)，都參與鋅和鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)［82-83］。OsPDR9在鋅、鎘脅迫下在根及幼苗處表達(dá)［78］。

鋅被水稻吸收后在根部積累，提高鋅向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)效率成為關(guān)鍵。因此，對(duì)未克隆的相關(guān)基因（OsZIP2、OsZIP7、OsNRAMP2、OZT1、OsHMA1）進(jìn)行功能分析將成為今后的研究重點(diǎn)。

7 展望

鋅對(duì)促進(jìn)水稻生長發(fā)育，保障優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)等方面具有重要作用，水稻所需的鋅主要從土壤中攝取，但由于我國水稻土資源豐富，類型復(fù)雜，不同種稻土中鋅含量分布差異性較大，且不同基因型水稻對(duì)鋅元素的吸收積累能力也不同，導(dǎo)致水稻對(duì)鋅的吸收水平和籽粒富鋅效果欠佳。因此今后的研究可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：

目前，專家學(xué)者對(duì)于植物營養(yǎng)與肥料的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從定性方面深入到定量方面，根據(jù)不同水稻土的含鋅量和水稻的營養(yǎng)特點(diǎn)，制定測土施肥和植株診斷施肥方案，通過施肥定量的投入鋅營養(yǎng)，調(diào)節(jié)水稻生長和發(fā)育［87］。數(shù)字模型的應(yīng)用可以滿足不同環(huán)境、不同生育期內(nèi)水稻鋅營養(yǎng)的需求，做到定量調(diào)控，提高鋅肥利用效率，避免“奢侈吸收”和無效累積［88］。

2004年以來，中國作物營養(yǎng)強(qiáng)化項(xiàng)目（Harvest plus-China）一直將通過作物營養(yǎng)強(qiáng)化提高主要糧食作物中的微量營養(yǎng)元素含量（鐵、鋅、維生素A等）作為重要研究目標(biāo)。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)從以下三個(gè)方面進(jìn)行開展：一是集中人力、物力資源對(duì)現(xiàn)有水稻種質(zhì)的鋅吸收積累能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水稻資源的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)；二是利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)選育不改變外觀、口感和食味特性的鋅營養(yǎng)高效型的水稻品種，提高水稻對(duì)鋅的吸收積累，實(shí)現(xiàn)生物強(qiáng)化；三是通過提高稻米中鋅的絕對(duì)含量和降低營養(yǎng)抑制物質(zhì)（植酸）的水平，提高水稻鋅的生物有效性，改善人類的鋅營養(yǎng)［36］。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，越來越多參與水稻體內(nèi)鋅吸收和解毒作用的蛋白被相繼發(fā)現(xiàn)，并對(duì)大多數(shù)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員的結(jié)構(gòu)、功能、細(xì)胞定位和器官表達(dá)特異性等方面展開深入研究［77-80］。但仍存在以下問題：一是研究目標(biāo)單一化，對(duì)多個(gè)鋅吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)同調(diào)控的研究較少。二是目前對(duì)水稻籽粒鋅積累調(diào)控基因的研究過少，已有研究表明鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的過表達(dá)，會(huì)使地上部的Zn2+向根部遷移，從而導(dǎo)致鋅在籽粒富集減少，為了提高水稻的鋅含量水平，若通過更換一個(gè)特異性的啟動(dòng)子，或發(fā)現(xiàn)一個(gè)組織特異性表達(dá)的基因來實(shí)現(xiàn)相關(guān)蛋白基因在籽粒中進(jìn)行異位表達(dá)，達(dá)到籽粒富集鋅的目的，將是今后研究鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的方向之一。三是發(fā)現(xiàn)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成員中克隆報(bào)道不多，對(duì)未克隆的相關(guān)基因進(jìn)行功能分析，豐富水稻中鋅元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配機(jī)制的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并為富鋅水稻分子育種研究提供理論依據(jù)。

隨著第二代測序技術(shù)的發(fā)展和鑒定技術(shù)的進(jìn)步，全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）因關(guān)聯(lián)精度高，研究周期短必將成為發(fā)掘與水稻鋅含量相關(guān)遺傳變異位點(diǎn)的有效方法，獲取與營養(yǎng)相關(guān)的關(guān)鍵位點(diǎn)將成為可能，也為系統(tǒng)全面的認(rèn)知鋅營養(yǎng)信號(hào)通路奠定了基礎(chǔ)［89-90］。通過GWAS分析和轉(zhuǎn)錄組分析，充分挖掘富鋅水稻種質(zhì)資源，有助于了解水稻對(duì)相關(guān)性狀適應(yīng)性的途徑和機(jī)制，也有助于設(shè)計(jì)和制定有效的育種策略，培育相關(guān)的富鋅水稻品種。這些結(jié)果將為在育種中提高水稻籽粒鋅含量和探索其遺傳機(jī)理提供線索［91-92］。