一种精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的叶面阻隔剂与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于环保领域，具体涉及一种精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的叶 面阻隔剂与应用。
【背景技术】
[0002] 2014年环境保护部和国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》，全国土壤镉 超标率7.0%，土壤镉污染治理是我国面临的重大环境问题，稻田镉污染尤为突出。
[0003] 稻田镉污染治理技术，根据其目标大致分为以土壤环境质量达标为目标的土壤重 金属移除修复技术、以保障农产品安全的污染控制技术。
[0004]目前已经确认的镉超累积植物主要有东南景天、伴矿景天、龙葵、遏蓝菜等，镉富 集植物籽粒苋等。植物修复技术需要占用耕地耕作农时，需要投入大量的资金，大面积实施 的难度比较大。目前，植物修复技术只适合于旱地，尚无稻田淹水条件下的植物修复技术报 道。另外，土壤重金属含量与农产品重金属含量并不存在一一对应关系，降低土壤重金属含 量至达标水平并不能确保农产品安全达标。
[0005] 显然，稻田镉污染治理难度很大，技术瓶颈多;采用移除技术难以解决区域性稻田 镉污染问题。降低镉的生物有效性，阻止水稻吸收积累镉，特别是抑制镉从水稻叶片向籽粒 在转运，是提高农产品质量切实可行的技术途径。
[0006] 中国发明专利 200610036994.8; 20 1010156359.X; 20 1010156358.5 和 201310737996.X等公开一种全新的农田重金属污染控制的技术思路:不动土，直接将复合 二氧化硅溶胶喷施在水稻叶片表面，有效降低农产品重金属含量。
[0007] 从技术原理上分析，锦是水稻非必需兀素，可竞争Si、Zn、Fe、Mn等必需兀素或有益 元素的转运蛋白，进入根部并向上输送至籽粒中（Uraguchi&Fuji wara，2013)。水稻籽粒中 镉的积累主要涉及四个过程:根部吸收、木质部转运、跨维管束运输、韧皮部向籽粒迀移 (Uraguchi&Fujiwara，2012)。目前已鉴定到一些与水稻镉吸收相关的重要基因及其表达产 物转运蛋白。水稻根部吸镉的过程中，组成型基因0sNramp5表达产生的铁转运蛋白在吸收 Mn、Fe的同时可高效转运镉（Sasaki et al. ,2012);基因 OsZIPl和0sZIP3表达产生的锌铁 转运蛋白在转运Zn、Fe的同时也转运镉（Ramesh et al.，2003);另外缺Fe诱导基因 0sNrampl、0sIRTl和0sIRT2表达产生的铁转运蛋白在促进Fe吸收的同时也增强吸收镉 (Takahashi et al.，2011;Nakanishi et al.，2006;Lee&An,2009)。木质部装载及向上输 送过程中，基因0sHMA2表达产生的转运蛋白在木质部装载Zn的同时也装载镉(Nocito et al，2011;Takahashi et al. ,2012)，基因0sHMA3、0sMTPl和0sABCG43/0sPDR5等表达产生的 转运蛋白将锌、镉等元素转入液泡中以维持细胞内各元素的平衡状态并限制其向木质部转 运（Ueno et al.，2010;Miyadate et al.，2011;Menguer et al.，2013;0da et al·， 2011)。韧皮部装载及向籽粒输送过程中，主要是由OsLCTl等转运蛋白调控锰、镉等重金属 元素由韧皮部向籽粒的输送(Uraguchi et al. ,2011)。
[0008] 根据上述分析，镉等非必需元素在水稻体内的吸收运输通常借道一些具有相似性 结构的必需元素，如Fe、Zn、Si等的转运蛋白，目前尚未发现专一运输重金属镉的特异转运 蛋白。因此，依据重金属元素与必需元素共同竞争相同转运蛋白的特性，施加外源的必需元 素则可对重金属的吸收和体内运输进行阻控。
[0009] 另外，水稻是典型的喜硅植物，到目前为止，还没有确定硅是植物生长所必需的元 素，但有充分的证据表明硅是水稻生产中稳产和高产所必需。硅在植物木质部汁液中主要 以单硅酸[Si (0H)4]形态存在，离子态的Si (H3SiO〇比例很小。水稻根系中离子态硅所占的 比例略大，可达3%~8%，仍以Si (0H)4为主；水稻体内的硅绝大部分是以水合无定形硅 Si02 · H20或聚合硅酸形式存在，约占全硅含量的90%~95%，小部分是硅酸、胶体硅酸以及 硅酸盐离子。
[0010] 水稻吸收硅是典型的主动吸收过程，水稻根系以硅酸的形式吸收硅，这种主动运 输的转运方式使得水稻木质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 经通过水稻硅吸收缺陷型突变体，成功克隆到3个Si转运基因（0sLsil、0sLsi2和0sLsi6)， OsLsil和0sLsi2基因分别位于第2和第3染色体上，主要在根部表达;0sLsi6基因位于第6染 色体上，主要在叶鞘和叶片中表达，根部表达量较少(Ma et al.，2006;2007;Yamaji et al.，2008)。水稻吸收和转运硅的过程包括4个步骤:第一步，由外皮层中的转运蛋白OsLsi 1 将外部溶液中的硅酸转运到细胞中，转运蛋白0sLsi2将硅酸释放到通气组织质外体中；第 二步，由内皮层中的转运蛋白OsLsil将质外体溶液中的硅酸转运到内皮层细胞中，转运蛋 白0sLsi2将硅酸输出转运到中柱中；第三步，中柱中的硅以非聚合态单硅酸形式通过木质 部导管随蒸腾流转运至地上部;第四步，在叶鞘和叶片靠近导管一侧木质部薄壁细胞中定 位的转运蛋白0sLsi6负责木质部硅的卸载和分配，并在蒸腾作用下失水聚合形成硅胶 (Si0 2 · ηΗ20)沉积在地上部不同组织器官的细胞壁和细胞间隙中，水稻中90%以上的硅以 硅胶的形式存在。
[0011] 硅是水稻体内的重要组成元素，也是水稻细胞壁的主要组成成分。硅沉积在细胞 质外体(细胞壁与细胞间隙）后不仅使得细胞空隙度降低，且与镉发生共沉淀将其束缚在细 胞壁中，从而降低镉质外体运输及镉向细胞内转运（Shi et al.2005;Shi et al.，2010)。 娃还可提尚水稻抗氧化胁迫，缓解锦胁迫毒害，促进生物量提尚（Liang et al. ,2007)，故 外源施硅可提高水稻生物量的同时降低籽粒镉含量。
[0012] 根据上述硅的作用机制，硅能阻控镉在籽粒中的积累，因此确定将硅作为水稻籽 粒中阻控镉的主要外源调节剂。上述已经授权的4件发明专利就是以二氧化硅溶胶作为外 源调节剂抑制水稻籽粒积累镉的技术，并且提供了二氧化硅溶胶、稀土复合二氧化硅溶胶、 二氧化硒复合二氧化硅溶胶的制备工艺。
[0013] 然而，上述4件发明专利没有涉及硅、硒是如何影响水稻镉吸收转运相关基因活性 的表达;这些叶面阻隔剂如何施用才能达到精准调控水稻镉吸收转运相关基因活性表达， 从而抑制稻米镉的积累。这些专利尚未提供这些方面的精准调控的技术方法。
【发明内容】
[0014] 为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种精准调控水稻 镉吸收转运相关基因表达的叶面阻隔剂的制备方法。
[0015] 本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的叶面阻隔剂。
[0016] 本发明的再一目的在于提供一种精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的硒复 合硅溶胶叶面阻隔剂。
[0017] 本发明的第四个目的在于提供上述叶面阻隔剂和/或硒复合硅溶胶叶面阻隔剂的 应用。
[0018] 本发明的第五个目的在于提供一种精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的叶 面阻隔方法，该方法可以精准调控镉从水稻叶片向籽粒转运。
[0019] 本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0020] -种精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的叶面阻隔剂的制备方法，包含如下 步骤：
[0021] (1)纳米硒凝胶的制备:水浴25~50°C条件下，向含硒溶液中加入抗坏血酸溶液， 反应2~5h，分离产物并纯化，得到纳米硒凝胶；
[0022] (2)纳米硒凝胶解胶:搅拌条件下，将乳化剂加入到步骤(1)制得的纳米硒凝胶中， 调节pH至4.5~6.5;得到精准调控水稻镉吸收转运相关基因表达的叶面阻隔剂；
[0023]步骤（1)中所述的含硒溶液中含硒化合物优选为亚硒酸、亚硒酸钠和亚硒酸钾中 的至少一种；
[0024]步骤(1)中所述的含硒溶液中硒的质量百分数优选为0.1~5%，进一步优选为0.5 ~1 · 5% ;
[0025] 步骤(1)中所述的抗坏血酸溶液中抗坏血酸的质量百分数优选为0.5~10%，进一 步优选为1~3 % ;
[0026] 步骤（1)中所述的抗坏血酸溶液中的抗坏血酸和含硒溶液中的硒的摩尔比为（1: 1)~(1:3);
[0027] 步骤(1)中所述的分离产物优选采用离心方式分离产物；
[0028] 所述的离心的条件优选为:控制离心力为4000~10000g，离心10~40min;
[0029] 步骤(1)中所述的纯化优选采用水清洗产物并沉淀2~5次；
[0030] 步骤(2)中所述的乳化剂的终质量百分数优选为0.05~5% ;
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