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砷是一种有毒物质，在自然界中广泛存在，对动物、植物及人类的危害极大。在有氧环境下，砷主要以砷酸盐[As(Ⅴ)]的形式存在，在无氧环境下则主要以亚砷酸盐[As(Ⅲ)]的形式存在。砷的毒性与其化学态密切相关。As(Ⅴ)是磷酸盐的类似物，可与磷酸盐竞争吸收通道，并参与多种磷酸盐相关的化学反应。As(Ⅲ)可以与多种蛋白质的巯基结合，破坏这些蛋白质的功能，从而对生命活动造成影响。植物根系是首先受到砷毒害的组织，主根的伸长和分化均受砷的抑制。当砷运输到植物的地上部以后，可导致植物体代谢紊乱、发育迟缓和生物量降低。然而至今人们对砷在植物体中的毒害机理所知甚少。本论文以砷抗性相关拟南芥突变体为材料，运用生物化学、分子生物学以及细胞生物学等方法，研究了As(Ⅲ)对植物主根生长的抑制及其机理，以及As(Ⅴ)与Pi代谢的相互作用对植物抵御As(Ⅴ)胁迫所产生的影响，旨在深入理解As(Ⅲ)和As(Ⅴ)对植物的毒性机理，为提高植物砷抗性提供理论依据。 1.亚砷酸盐对拟南芥主根生长的抑制机理: 通过比较野生型拟南芥Col-0在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和镉(Cd)胁迫下的生长状态，发现As(Ⅲ)对拟南芥主根生长的抑制作用具有一定特异性。显微观察As(Ⅲ)处理后拟南芥根尖细胞骨架的结构，发现As(Ⅲ)增加微丝蛋白密度，使微丝排列紊乱。利用拟南芥DR5::GUS株系检测As(Ⅲ)处理后根尖生长素水平变化，发现As(Ⅲ)可减少生长素在拟南芥根尖的积累。通过GFP荧光检测，发现As(Ⅲ)促进了生长素运输载体PIN1与PIN2蛋白的降解，从而影响生长素在主根的梯度分布和主根生长发育。由于As(Ⅲ)并未影响对照株系中PIP2;1蛋白的代谢，推测As(Ⅲ)对PIN1和PIN2蛋白的影响具有一定特异性。 拟南芥水通道蛋白NIP1;1是植株吸收As(Ⅲ)的重要通道。在As(Ⅲ)条件下，AtNIP1;1突变体植株nip1;1-1与Col-0相比具有极高的抗性。本论文通过分析As(Ⅲ)处理后Col-0与拟南芥突变体nip1;1-1的表型差异及根尖砷积累情况，发现砷在根尖分生区的大量积累可能是造成植株主根生长受到抑制的主要原因。运用转录组测序技术分析As(Ⅲ)条件下Col-0与nip1;1-1植株根尖细胞基因表达变化，发现As(Ⅲ)可引起Col-0中392个基因表达上调，353个基因表达下调。差异基因涉及拟南芥根尖细胞一系列生物学过程或代谢途径，包括氧化胁迫、细胞壁合成与结构调整、蛋白折叠和激素信号转导等多个方面。 2.拟南芥肌醇多磷酸激酶突变体atipk1-1中砷酸盐毒害机理分析 AtIPK1是拟南芥植酸合成中的关键基因，该基因突变体atipk1-1植株与Col-0相比植酸含量明显降低，且具有更高的内源无机磷(Pi)含量。本研究发现，atipk1-1植株比野生型对As(Ⅴ)胁迫更为敏感，但在As(Ⅲ)条件下两种植株的表型无明显差异，表明atipk1-1的砷敏感性更多地来源于As(Ⅴ)引起的胁迫反应。与atipk1-1株系相比，AtIPK1回复表达株系对As(Ⅴ)的抗性增强，可部分恢复植株表型。测定Col-0与atipk1-1在As(Ⅴ)处理后的总砷含量和砷价态后发现，atipk1-1吸收As(Ⅴ)的能力降低，但并不影响As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)这一过程。这些结果暗示在aapk1-1中可能存在不同于Col-0的As(Ⅴ)应答机制，且植株对As(Ⅴ)的抗性不能单独取决于植株的砷含量的高低。 在As(Ⅴ)条件下，提高培养基中的Pi含量能够显著提高植株对As(Ⅴ)的抗性，并且能降低植株砷含量，提高Pi含量，但该条件下Col-0根中砷含量降低的幅度较大，最终导致atipk1-1根中的砷含量明显高于Col-0中的含量。尽管atipk1-1中的Pi含量较高，但在低Pi条件下，atipk1-1与Col-0相比表现出更明显的Pi饥饿表型，暗示atipk1-1的Pi代谢机制可能出现缺陷。使用As(Ⅴ)/Pi处理Col-0和atipk1-1后，植株中多个Pi代谢相关基因的表达量发生变化，且进一步证明Col-0和atipk1-1中存在不同的Pi代谢机制和As(Ⅴ)解毒机制。以上结果暗示，在植物抵抗As(Ⅴ)胁迫的过程中，内源Pi代谢起着不可忽视的作用。