Characterization of the Silicon Uptake System and Molecular Mapping of the Silicon Transporter Gene in Rice

Resumo

O arroz (Oryza sativa L. cv Oochikara) é uma planta típica que acumula silício, mas o mecanismo responsável pela alta absorção de silício pelas raízes é pouco conhecido. Caracterizamos o sistema de absorção de silício nas raízes do arroz usando um mutante de arroz com baixo teor de silício (lsi1) e arroz do tipo selvagem. Um estudo cinético demonstrou que a concentração de silício na solução simplástica da raiz aumentou com o aumento das concentrações de silício na solução externa, mas saturou em uma concentração mais alta em ambas as linhagens. Não houve diferenças na concentração de silício da solução simplástica entre o arroz de tipo selvagem e o mutante. A forma de silício solúvel na raiz, no xilema e na folha identificada por 29Si-NMR também foi a mesma nas duas linhagens. Entretanto, a concentração de silício na seiva do xilema foi muito maior no tipo selvagem do que no mutante. Esses resultados indicam que pelo menos dois transportadores estão envolvidos no transporte de silício da solução externa para o xilema e que o mutante de arroz com baixo teor de silício é defeituoso no carregamento de silício para o xilema, em vez de na absorção de silício da solução externa para as células corticais. Para mapear o gene responsável, realizamos uma análise de segregação em massa usando marcadores de PCR baseados em etiquetas de sequência expressa e microssatélites. Como resultado, o gene foi mapeado no cromossomo 2, flanqueado pelo marcador de microssatélite RM5303 e pelo marcador de PCR baseado em etiqueta de sequência expressa E60168.

Abstract

Rice (Oryza sativa L. cv Oochikara) is a typical silicon-accumulating plant, but the mechanism responsible for the high silicon uptake by the roots is poorly understood. We characterized the silicon uptake system in rice roots by using a low-silicon rice mutant (lsi1) and wild-type rice. A kinetic study showed that the concentration of silicon in the root symplastic solution increased with increasing silicon concentrations in the external solution but saturated at a higher concentration in both lines. There were no differences in the silicon concentration of the symplastic solution between the wild-type rice and the mutant. The form of soluble silicon in the root, xylem, and leaf identified by 29Si-NMR was also the same in the two lines. However, the concentration of silicon in the xylem sap was much higher in the wild type than in the mutant. These results indicate that at least two transporters are involved in silicon transport from the external solution to the xylem and that the low-silicon rice mutant is defective in loading silicon into xylem rather than silicon uptake from external solution to cortical cells. To map the responsible gene, we performed a bulked segregant analysis by using both microsatellite and expressed sequence tag-based PCR markers. As a result, the gene was mapped to chromosome 2, flanked by microsatellite marker RM5303 and expressed sequence tag-based PCR marker E60168.