通过生物反应器建立水稻根As(III)外排突变体库筛选方法开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

课题的意义：

砷在自然界中广泛存在，作为一类致癌物质^[1]，即使在低浓度条件下长期摄入也会对人体健康产生严重影响，砷暴露可导致的疾病包括心血管和外周血管疾病、神经系统疾病、糖尿病和慢性肾脏疾病^[2]。然而，作为世界近半数人口的重要主食，水稻却比小麦和大麦能更有效地积累砷，成为人们日常生活中砷摄入的主要来源之一^[3]。水稻体内砷积累相对较高的原因有两个，一是因为在水稻淹水的厌氧条件下，砷主要以无机as(iii)形式存在，具有较强的生物有效性，二是因为砷会通过水稻植株根部硅途径的自发吸收和运输快速进入水稻，不断积累，这在水稻中十分常见^[4]。因此，为了避免水稻中砷积累对人体健康进一步造成威胁，研究人员希望通过探究砷在水稻的转运与代谢机制，促进低积累水稻品种的育种工作，以减少人们因食用水稻而导致的砷摄入。在过去的十几年里，有关砷吸收、代谢和转运的分子机制的研究取得较大进展，学者已发现ospt1^[5]、ospt4^[6]、ospt8^[7]、lsi1、lsi2^[8]、oshac1;1、oshac1;2^[9]和oshac4^[10]等蛋白的参与，但仍存在未知as(iii)外排转运蛋白。虽然可通过突变体库筛选的方法鉴别该蛋白，但该筛库过程需要对大量样品进行as(iii)浓度测定，而现有砷浓度测定方法在突变体筛选中并不适用，因此需要寻求一种新的替代检测方法。随着近年来生物反应器在污染水砷浓度测定的普遍应用，不少研究^[11]已证明生物反应器可用于大量未知样品的砷浓度快速测定，且具有成本低的优势，所以本课题考虑利用生物反应器响应目标化学物质产生可被检测的报告蛋白这一性质来发展生物反应器法，将其运用于未知as(iii)外排转运蛋白突变体的筛选过程，该方法经济高效，有利于筛选工作的高通量开展，对促进研究人员对水稻吸收砷和砷的转运与代谢机制的理解具有十分重要的意义。

2. 研究的基本内容和问题

研究目标：通过生物反应器发展可定量as(iii)的突变体库筛选方法。

研究内容：生物反应器在as(iii)出现时，会产生报告蛋白以示其存在，将生物反应器对一系列已知亚砷酸盐浓度的信号响应进行校准，本课题所用报告蛋白为荧光蛋白，可用酶标仪进行荧光蛋白的荧光值测定，可以量化未知样品中的as(iii)浓度。因此可将突变体库中具有一定根长的水稻植株置于一定浓度的as(v)溶液中，暴露一段时间，待暴露完成，测定处理液中as(iii)的浓度即可筛选出as(iii)外排突变体，为后续通过基因工程手段具体鉴别是否为未知as(iii)外排转运蛋白基因提供实验材料，上述实验步骤中所涉及的试验条件便是本课题的研究内容。

3. 研究的方法与方案

研究方法：遵守单一变量原则，将实验条件一步步确定下来，然后按实验方案中的步骤操作，有序地对突变体库进行筛选。

技术路线：

4. 研究创新点

对于可用于测定水体中砷含量的生物反应器，目前研究人员的关注点主要集中于生物反应器的优化以及性能测定，其次便是污染水源地的实地使用效果提高，拘泥于污染水体砷含量测定这一运用方面，而本课题通过利用生物反应器解决目前植物科学研究中面临的问题，促进学科融合，不仅推动学者 对水稻根部吸收、转运和代谢砷的机制的研究，还为生物反应器日后进一步优化提供数据，为其日后多方面改造应用提供了新思路。

5. 研究计划与进展

2020年2月：相关研究进展的资料收集和整理、文献阅读、文献综述写作；制定研究计划试验和实验方案等；

2020年3月：开题报告写作；文献阅读；

2020年4月：中期报告写作；文献阅读；按实验方案进行试验；