PPB | 南京农业大学赵方杰团队揭示硅转运蛋白Lsi1和Lsi2差异调控水稻对二甲基砷的吸收与解毒

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2025年12月20日，南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室赵方杰教授团队在Plant Physiology and Biochemistry在线发表了题为“Silicon transporters Lsi1 and Lsi2 differentially regulate dimethylarsinic acid uptake, toxicity, and grain accumulation in rice”的研究论文。该研究首次揭示了硅转运蛋白Lsi1和Lsi2在水稻吸收二甲基砷（DMA）及硅缓解DMA毒性过程中的功能差异，为防控水稻直穗病和降低稻米砷积累提供了新的育种策略。

砷（As）在环境中普遍存在，具有强毒性。二甲基砷（DMA）是水稻田中微生物砷甲基化的主要产物，在水稻穗部过量积累会诱发“直穗病”（又称旱青立病），患病植株表现为颖壳畸形、呈鹰钩嘴状，稻穗直立，小穗败育，导致水稻严重减产。硅是水稻生长的有益元素，能显著增强水稻对生物与非生物胁迫的抗性。在水稻中，硅吸收由两个关键转运蛋白Lsi1（向内转运）和Lsi2（外排至中柱）介导，二者同时参与无机三价砷的转运。然而，Lsi1与Lsi2在DMA吸收、转运及硅缓解DMA毒性中的具体作用机制尚不明确，制约了针对性防控直穗病策略的研发。

研究发现，在水培条件下，lsi1突变体根部和地上部的DMA积累量较野生型降低约50%，对DMA的耐受性显著增强，表明Lsi1参与DMA的吸收；而lsi2突变体DMA积累量与野生型无显著差异，表明Lsi2不参与DMA的吸收。硅添加显著降低野生型与lsi2地上部DMA浓度，减轻DNA损伤，促进生物量积累；但在硅吸收能力受限的lsi1突变体中，硅的保护效应较弱。

TUNEL凋亡检测显示，100 μM DMA处理下，野生型叶片细胞核呈现明显的DNA损伤荧光信号，lsi2信号较弱，lsi1几乎无信号；300 μM DMA时，三种基因型均出现严重DNA损伤。硅添加显著减轻野生型与lsi2的DNA损伤荧光强度，但对lsi1无显著改善作用。

盆栽试验中，DMA处理导致lsi1与lsi2突变体结实率下降60%以上，穗部呈典型直穗病症状。硅添加显著提高lsi2突变体的籽粒产量与抗病性，但对lsi1突变体改善有限。

Figure 3 Effects of DMA and Si treatment on phenotype and agronomic traits of ZH11, lsi1 and lsi2 mutants.

砷形态分析表明，籽粒与颖壳中砷以DMA为主要存在形态。DMA处理下，lsi1与lsi2籽粒DMA浓度分别为野生型的3.2倍和3.5倍。然而，单株总砷积累量却显著低于野生型（降低3.8–4.1倍），表明DMA浓度升高主要源于生物量大幅下降引发的浓缩效应。硅添加显著降低各基因型籽粒DMA浓度。

研究首次揭示了硅转运蛋白Lsi1和Lsi2在水稻DMA吸收与硅解毒过程中的差异化功能：Lsi1是DMA进入根系的主要通道，也是硅发挥保护效应的关键；Lsi2虽不参与DMA转运，但其介导的硅向地上部输送对维持生殖生长阶段的抗逆性至关重要。研究结果为通过育种策略改良水稻直穗病抗性提供了新思路——在降低Lsi1表达以减少DMA吸收的同时，增强Lsi2表达以维持硅向地上部的有效输送，从而实现直穗病防控和稻米安全生产。

南京农业大学资源与环境科学学院杨阳博士为论文第一作者，唐仲副教授为论文通讯作者，赵方杰教授参与指导了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（No. 32372807）的资助。

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