水稻根系细胞膜质子泵在养分吸收中的作用机制开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

水稻是我国主要的粮食作物^[1]，其产量的形成与养分供应的关系非常密切。氮、磷、钾是植物生长发育必需的大量营养元素，因此氮肥、磷肥和钾肥也是农业生产中最重要的三大肥料。氮肥主要以铵态氮为主^[2-3]。旱地土壤中硝化作用强烈，因此大量的nh₄ - n转化为no₃^-- n；但是淹水土壤中或者酸性较强的土壤中，硝化作用受到抑制，因此氮肥施用后nh₄ 大量积累，而在此环境中水稻却可以健康生长。磷肥的溶解性一般都比较差，即使是水溶性磷肥，施入土壤后也很容易与土壤中的钙发生化学反应而沉淀，或被土壤中的铁铝氧化物吸附，因此磷肥的有效性会降低^[4-5]。而钾肥的有效性比较高，因此在生产中往往会忽视钾肥的施用而偏重氮肥磷肥。在我国在近三十年的农业发展中，由于片面追求高产导致施肥过量，已经引起了很严重的环境污染。因此如何合理施肥，提高养分利用率是目前最需要关注的问题。由于植物吸收养分都要通过根系细胞膜上相应的转运蛋白进行跨膜运输，因此系统地了解养分吸收的跨膜运输机制，对于指导合理施肥也具有重要的意义。

通常认为铵是通过细胞膜上的铵离子转运蛋白amt运输^[6]，并且氨分子还可以经水通道蛋白aqp^[7]进行运输；硝通过硝酸盐转运蛋白进行运输，磷酸盐主要通过细胞膜上的磷转运蛋白运输的^[8]；而钾是通过钾离子通道以及钾转运蛋白运输的^[9-10]。养分离子进入细胞的过程，可以归纳为：阳离子是通过细胞膜电位的作用，顺着细胞膜内外的电势差进入细胞，而阴离子则需要通过质子驱动力，在相应的转运蛋白中进入细胞。而在养分浓度很低或是养分胁迫时，都需要通过相应的转运蛋白运输。这些过程都需要植物细胞膜质子泵产生的膜电位与质子驱动力。因此，质子泵在这个过程中具有决定性的作用。质子泵,又叫细胞膜h - atpase^[11-13]，细胞膜h - atpase的功能是通过水解atp产生能量将h 主动泵出细胞，在细胞膜内外形成了h 浓度梯度，从而建立细胞膜电位，为各种小分子物质的跨膜运输提供质子驱动力^[14-15]，如矿物质营养的吸收^[16-18]，代谢产物的排出等^[19]。而且，质子泵与植物的一些生理功能，如细胞质ph的调节、细胞的生长和气孔的开闭等密切相关。

植物对于氮、磷、钾营养元素的吸收量比其他营养元素都要多得多，因此根系细胞膜质子泵在氮、磷、钾营养元素的运输中具有重要的作用。细胞膜质子泵活性的变化从某种程度上调控了养分跨膜运输的强弱^[20]。

2. 研究的基本内容和问题

植物铵中毒与植物耐铵的机理是一个永恒的研究课题，其研究内容在近几年来又在不断地丰富与充实。近几十年来，人类的生活与工业生产造成大气中氮、硫等化合物的含量不断增多，研究发现，这些因素是导致自然界土壤中nh4 积累，土壤酸化的主要原因，大量植物物种由于无法耐铵而死亡。我国幅源辽阔，在南方地区分布着大量的酸性红壤，是易于积累nh4 的一个主要农业生产区。在推广种植一些高产优质品种的过程中也必然遇到类似植物是否耐铵的问题，如能提高植物品种的耐铵水平，则能在最大的范围内利于植物生长与产量提高。

概括起来目前拟解决的问题为：

1）与nh4 吸收及根际ph有关的质子泵基因在转录和翻译时空上的表达特性需要探明。

3. 研究的方法与方案

1.研究方法

1.1在nh4 与低ph下，水稻质子泵的活性、及其在翻译和转录后水平上的分析

1.2在nh4 与低ph下，水稻质子泵基因的时空表达分析

4. 研究创新点

本研究首先采用两相法分离水稻根系细胞膜，分析细胞膜质子泵活性在铵态氮与低ph下的活性变化，并用real time pcr的方法明确水稻根系中各个质子泵基因的表达差异。

上述研究结果对于丰富植物耐铵的机制具有重要的理论意义，并对培育其他耐铵的植物品种具有借鉴作用。

5. 研究计划与进展

本研究预期在12个月内完成：2015.32016.5

2015.3-2015.4：进行前期工作，查找文献资料，完成研究方案的设计

2015.4-2016.2：实验探究水稻根系细胞膜质子泵在养分吸收中的机制