一種精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉面阻隔劑與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域，具體涉及一種精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉 面阻隔劑與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 2014年環(huán)境保護(hù)部和國土資源部發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，全國土壤鎘 超標(biāo)率7.0%，土壤鎘污染治理是我國面臨的重大環(huán)境問題，稻田鎘污染尤為突出。
[0003] 稻田鎘污染治理技術(shù)，根據(jù)其目標(biāo)大致分為以土壤環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)為目標(biāo)的土壤重 金屬移除修復(fù)技術(shù)、以保障農(nóng)產(chǎn)品安全的污染控制技術(shù)。
[0004]目前已經(jīng)確認(rèn)的鎘超累積植物主要有東南景天、伴礦景天、龍葵、遏藍(lán)菜等，鎘富 集植物籽粒莧等。植物修復(fù)技術(shù)需要占用耕地耕作農(nóng)時(shí)，需要投入大量的資金，大面積實(shí)施 的難度比較大。目前，植物修復(fù)技術(shù)只適合于旱地，尚無稻田淹水條件下的植物修復(fù)技術(shù)報(bào) 道。另外，土壤重金屬含量與農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量并不存在一一對應(yīng)關(guān)系，降低土壤重金屬含 量至達(dá)標(biāo)水平并不能確保農(nóng)產(chǎn)品安全達(dá)標(biāo)。
[0005] 顯然，稻田鎘污染治理難度很大，技術(shù)瓶頸多;采用移除技術(shù)難以解決區(qū)域性稻田 鎘污染問題。降低鎘的生物有效性，阻止水稻吸收積累鎘，特別是抑制鎘從水稻葉片向籽粒 在轉(zhuǎn)運(yùn)，是提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量切實(shí)可行的技術(shù)途徑。
[0006] 中國發(fā)明專利 200610036994.8; 20 1010156359.X; 20 1010156358.5 和 201310737996.X等公開一種全新的農(nóng)田重金屬污染控制的技術(shù)思路:不動土，直接將復(fù)合 二氧化硅溶膠噴施在水稻葉片表面，有效降低農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量。
[0007] 從技術(shù)原理上分析，錦是水稻非必需兀素，可競爭Si、Zn、Fe、Mn等必需兀素或有益 元素的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，進(jìn)入根部并向上輸送至籽粒中（Uraguchi&Fuji wara，2013)。水稻籽粒中 鎘的積累主要涉及四個(gè)過程:根部吸收、木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)、跨維管束運(yùn)輸、韌皮部向籽粒迀移 (Uraguchi&Fujiwara，2012)。目前已鑒定到一些與水稻鎘吸收相關(guān)的重要基因及其表達(dá)產(chǎn) 物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。水稻根部吸鎘的過程中，組成型基因0sNramp5表達(dá)產(chǎn)生的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在吸收 Mn、Fe的同時(shí)可高效轉(zhuǎn)運(yùn)鎘（Sasaki et al. ,2012);基因 OsZIPl和0sZIP3表達(dá)產(chǎn)生的鋅鐵 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)Zn、Fe的同時(shí)也轉(zhuǎn)運(yùn)鎘（Ramesh et al.，2003);另外缺Fe誘導(dǎo)基因 0sNrampl、0sIRTl和0sIRT2表達(dá)產(chǎn)生的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在促進(jìn)Fe吸收的同時(shí)也增強(qiáng)吸收鎘 (Takahashi et al.，2011;Nakanishi et al.，2006;Lee&An,2009)。木質(zhì)部裝載及向上輸 送過程中，基因0sHMA2表達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在木質(zhì)部裝載Zn的同時(shí)也裝載鎘(Nocito et al，2011;Takahashi et al. ,2012)，基因0sHMA3、0sMTPl和0sABCG43/0sPDR5等表達(dá)產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將鋅、鎘等元素轉(zhuǎn)入液泡中以維持細(xì)胞內(nèi)各元素的平衡狀態(tài)并限制其向木質(zhì)部轉(zhuǎn) 運(yùn)（Ueno et al.，2010;Miyadate et al.，2011;Menguer et al.，2013;0da et al·， 2011)。韌皮部裝載及向籽粒輸送過程中，主要是由OsLCTl等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控錳、鎘等重金屬 元素由韌皮部向籽粒的輸送(Uraguchi et al. ,2011)。
[0008] 根據(jù)上述分析，鎘等非必需元素在水稻體內(nèi)的吸收運(yùn)輸通常借道一些具有相似性 結(jié)構(gòu)的必需元素，如Fe、Zn、Si等的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，目前尚未發(fā)現(xiàn)專一運(yùn)輸重金屬鎘的特異轉(zhuǎn)運(yùn) 蛋白。因此，依據(jù)重金屬元素與必需元素共同競爭相同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的特性，施加外源的必需元 素則可對重金屬的吸收和體內(nèi)運(yùn)輸進(jìn)行阻控。
[0009] 另外，水稻是典型的喜硅植物，到目前為止，還沒有確定硅是植物生長所必需的元 素，但有充分的證據(jù)表明硅是水稻生產(chǎn)中穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)所必需。硅在植物木質(zhì)部汁液中主要 以單硅酸[Si (0H)4]形態(tài)存在，離子態(tài)的Si (H3SiO〇比例很小。水稻根系中離子態(tài)硅所占的 比例略大，可達(dá)3%~8%，仍以Si (0H)4為主；水稻體內(nèi)的硅絕大部分是以水合無定形硅 Si02 · H20或聚合硅酸形式存在，約占全硅含量的90%~95%，小部分是硅酸、膠體硅酸以及 硅酸鹽離子。
[0010] 水稻吸收硅是典型的主動吸收過程，水稻根系以硅酸的形式吸收硅，這種主動運(yùn) 輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)方式使得水稻木質(zhì)部溶液中的硅酸含量比根外溶液中的硅含量高很多倍。目前已 經(jīng)通過水稻硅吸收缺陷型突變體，成功克隆到3個(gè)Si轉(zhuǎn)運(yùn)基因（0sLsil、0sLsi2和0sLsi6)， OsLsil和0sLsi2基因分別位于第2和第3染色體上，主要在根部表達(dá);0sLsi6基因位于第6染 色體上，主要在葉鞘和葉片中表達(dá)，根部表達(dá)量較少(Ma et al.，2006;2007;Yamaji et al.，2008)。水稻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)硅的過程包括4個(gè)步驟:第一步，由外皮層中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsLsi 1 將外部溶液中的硅酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白0sLsi2將硅酸釋放到通氣組織質(zhì)外體中；第 二步，由內(nèi)皮層中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsLsil將質(zhì)外體溶液中的硅酸轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)皮層細(xì)胞中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋 白0sLsi2將硅酸輸出轉(zhuǎn)運(yùn)到中柱中；第三步，中柱中的硅以非聚合態(tài)單硅酸形式通過木質(zhì) 部導(dǎo)管隨蒸騰流轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部;第四步，在葉鞘和葉片靠近導(dǎo)管一側(cè)木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中定 位的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白0sLsi6負(fù)責(zé)木質(zhì)部硅的卸載和分配，并在蒸騰作用下失水聚合形成硅膠 (Si0 2 · ηΗ20)沉積在地上部不同組織器官的細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙中，水稻中90%以上的硅以 硅膠的形式存在。
[0011] 硅是水稻體內(nèi)的重要組成元素，也是水稻細(xì)胞壁的主要組成成分。硅沉積在細(xì)胞 質(zhì)外體(細(xì)胞壁與細(xì)胞間隙）后不僅使得細(xì)胞空隙度降低，且與鎘發(fā)生共沉淀將其束縛在細(xì) 胞壁中，從而降低鎘質(zhì)外體運(yùn)輸及鎘向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)（Shi et al.2005;Shi et al.，2010)。 娃還可提尚水稻抗氧化脅迫，緩解錦脅迫毒害，促進(jìn)生物量提尚（Liang et al. ,2007)，故 外源施硅可提高水稻生物量的同時(shí)降低籽粒鎘含量。
[0012] 根據(jù)上述硅的作用機(jī)制，硅能阻控鎘在籽粒中的積累，因此確定將硅作為水稻籽 粒中阻控鎘的主要外源調(diào)節(jié)劑。上述已經(jīng)授權(quán)的4件發(fā)明專利就是以二氧化硅溶膠作為外 源調(diào)節(jié)劑抑制水稻籽粒積累鎘的技術(shù)，并且提供了二氧化硅溶膠、稀土復(fù)合二氧化硅溶膠、 二氧化硒復(fù)合二氧化硅溶膠的制備工藝。
[0013] 然而，上述4件發(fā)明專利沒有涉及硅、硒是如何影響水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因活性 的表達(dá);這些葉面阻隔劑如何施用才能達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因活性表達(dá)， 從而抑制稻米鎘的積累。這些專利尚未提供這些方面的精準(zhǔn)調(diào)控的技術(shù)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點(diǎn)，本發(fā)明的首要目的在于提供一種精準(zhǔn)調(diào)控水稻 鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉面阻隔劑的制備方法。
[0015] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法制備得到的葉面阻隔劑。
[0016] 本發(fā)明的再一目的在于提供一種精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的硒復(fù) 合硅溶膠葉面阻隔劑。
[0017] 本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供上述葉面阻隔劑和/或硒復(fù)合硅溶膠葉面阻隔劑的 應(yīng)用。
[0018] 本發(fā)明的第五個(gè)目的在于提供一種精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉 面阻隔方法，該方法可以精準(zhǔn)調(diào)控鎘從水稻葉片向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。
[0019] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0020] -種精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉面阻隔劑的制備方法，包含如下 步驟：
[0021] (1)納米硒凝膠的制備:水浴25~50°C條件下，向含硒溶液中加入抗壞血酸溶液， 反應(yīng)2~5h，分離產(chǎn)物并純化，得到納米硒凝膠；
[0022] (2)納米硒凝膠解膠:攪拌條件下，將乳化劑加入到步驟(1)制得的納米硒凝膠中， 調(diào)節(jié)pH至4.5~6.5;得到精準(zhǔn)調(diào)控水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的葉面阻隔劑；
[0023]步驟（1)中所述的含硒溶液中含硒化合物優(yōu)選為亞硒酸、亞硒酸鈉和亞硒酸鉀中 的至少一種；
[0024]步驟(1)中所述的含硒溶液中硒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0.1~5%，進(jìn)一步優(yōu)選為0.5 ~1 · 5% ;
[0025] 步驟(1)中所述的抗壞血酸溶液中抗壞血酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0.5~10%，進(jìn)一 步優(yōu)選為1~3 % ;
[0026] 步驟（1)中所述的抗壞血酸溶液中的抗壞血酸和含硒溶液中的硒的摩爾比為（1: 1)~(1:3);
[0027] 步驟(1)中所述的分離產(chǎn)物優(yōu)選采用離心方式分離產(chǎn)物；
[0028] 所述的離心的條件優(yōu)選為:控制離心力為4000~10000g，離心10~40min;
[0029] 步驟(1)中所述的純化優(yōu)選采用水清洗產(chǎn)物并沉淀2~5次；
[0030] 步驟(2)中所述的乳化劑的終質(zhì)量百分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0.05~5% ;
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