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切尔诺贝利核电站事故和福岛第一核电站事故分别释放出大量的放射性134Cs和137Cs，造成了周围土壤严重的Cs污染。铯（Cesium，Cs）作为第一主族元素，具有与钾（Potassium，K）相似的化学性质，容易被植物根系吸收。利用植物从土壤吸收Cs+是污染治理的有效途径。但Cs+对植物具有毒性，高浓度的Cs+会致死植物。甲基磺酸乙酯（Ethylmethane sulfonate，EMS）诱变能产生具有一定功能的突变体，本研究通过筛选拟南芥EMS诱变体库获得耐Cs+突变体并探究其耐Cs+机理，进而为植物修复环境Cs+污染提供理论基础。研究工作主要内容和结果如下：
（1）在含1mM Cs+的培养基上筛选到拟南芥野生型哥伦比亚（Columbia ecotype，Col-0）背景的EMS诱变突变体atbe1-5，在毫摩尔级Cs+浓度下该突变体能继续存活并保持叶片绿色，而Col-0在该浓度下白化死亡。
（2）atbe1-5是由BRANCHING ENZYME1（AtBE1,At3g20440.2）基因中的一个单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）赋予的。通过图位克隆将atbe1-5突变位点初定位于拟南芥第三号染色体上臂，与CER457071分子标记连锁遗传。通过高通量测序，证明突变也发生在该区域。进一步分析候选基因，克隆目的基因，发现atbe1-5有SNP在AtBE1的第16外显子的5320位，由C（Col-0）变为T（atbe1-5），致使编码的第749个氨基酸由Col-0中的脯氨酸（P）变成atbe1-5中的丝氨酸（S）。通过分析高等植物AtBE1的同源性，发现这个位点在这些植物中高度保守。该SNP不影响AtBE1的转录，对C末端的二级结构影响不大（1-550th），但增加了N末端片段中无规则卷曲的比例（551-889th），从36.96%增加到40.69%，减少了α螺旋的比例，从36.39%减少到34.38%。通过遗传互补检测，以野生型Col-0的AtBE1基因编码序列互补atbe1-5，对互补植物atbe1-5/AtBE1进行耐Cs+表型分析，发现互补后的植物恢复到野生型的Cs+敏感表型，最终确定了atbe1-5耐Cs+表型的确是由AtBE1基因的SNP所致。
（3）Cs+存在显著抑制了Col-0的光合作用，但促进了atbe1-5的光合作用。CK条件下，atbe1-5叶片发黄，通过测定叶绿素含量，发现atbe1-5叶片叶绿素含量显著低于Col-0，推测atbe1-5光合效率低于Col-0。分别测定了atbe1-5和Col-0的净光合效率[An]、叶绿素荧光参数PSI（ETR1）、PSI[Y（I）]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]。结果是：CK条件下，atbe1-5的[An]、PSI(ETR1)、PSI[Y(I)]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]明显低于Col-0。而0.4mM Cs+处理后，atbe1-5的[An]、PSI(ETR1)、PSI[Y(I)]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]明显优于Col-0。说明0.4mM Cs+处理显著抑制了Col-0的光合作用，但促进了atbe1-5的光合作用，与该突变体的耐Cs+表型一致。
（4）atbe1-5具有正常的Cs+积累能力和模式，但K+积累模式发生了改变。测定根和叶中Cs+、K+含量，发现atbe1-5在CK或0.4mM Cs+处理下，其根和叶中Cs+含量与Col-0无显著差异，说明atbe1-5具有Col-0植株的Cs+积累能力。但K+积累模式与Col-0相比发生了改变：atbe1-5中根中K+含量显著低于Col-0，而叶片中K+含量显著高于Col-0，atbe1-5的K+更多的积累于叶片，而Col-0的K+更多的积累于根，说明Col-0植株为了存活根通过积累尽可能多的K+去抵耐Cs+，也体现了Col-0对Cs+更敏感。
（5）AtBE1第749个氨基酸残基是Cs+和K+结合位点，且该残基与Cs+的结合能力强于K+。通过等温滴定量热法（Isothermal Titration Calorimetry，ITC）分析Cs+、K+与合成肽之间的热动力学，合成肽对应于AtBE1第707-802个残基（含突变残基）。Col-0肽（AtBE1△707-802749P）在Cs+或K+滴定过程中表现出强的热动力学，而atbe1-5肽（atbe1△707-802749S）热动力学消除。Cs+和Col-0肽相互作用引起的热变化幅度明显高于缓冲液和K+，这表明该残基是Cs+和K+的结合位点，且与Cs+的结合能力强于K+。atbe1-5中AtBE1该残基由P突变成S后，与Cs+不结合，使得atbe1-5对Cs+不敏感，而表现出耐Cs+表型。另外Cs+竞争取代K+与AtBE1第749个残基结合，导致AtBE1酶活性的丧失。
（6）atbe1-5在蔗糖和淀粉生物合成方面存在缺陷。比较Col-0和atbe1-5叶中不同单糖和双糖的含量，结果显示，atbe1-5叶中麦芽糖水平显著高于Col-0，但蔗糖水平显著低于Col-0，其他糖类在两者之间差异不明显。分别测定Col-0和atbe1-5淀粉含量，显示atbe1-5中直链淀粉和支链淀粉含量仅为Col-0的60%和1%。表明AtBE1在蔗糖、直链淀粉尤其是支链淀粉的生物合成中有重要作用。
综上所述，本研究获得了拟南芥耐Cs+突变体atbe1-5，该突变体具有Cs+存活和积累能力，突变基因为AtBE1，该基因在蔗糖、直链淀粉特别是支链淀粉的生物合成中有重要的作用。发现AtBE1的第749个氨基酸残基P为该酶与Cs+和K+结合的关键位点，该位点与Cs+的结合能力强于与K+的结合能力。
（1）在含1mM Cs+的培养基上筛选到拟南芥野生型哥伦比亚（Columbia ecotype，Col-0）背景的EMS诱变突变体atbe1-5，在毫摩尔级Cs+浓度下该突变体能继续存活并保持叶片绿色，而Col-0在该浓度下白化死亡。
（2）atbe1-5是由BRANCHING ENZYME1（AtBE1,At3g20440.2）基因中的一个单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）赋予的。通过图位克隆将atbe1-5突变位点初定位于拟南芥第三号染色体上臂，与CER457071分子标记连锁遗传。通过高通量测序，证明突变也发生在该区域。进一步分析候选基因，克隆目的基因，发现atbe1-5有SNP在AtBE1的第16外显子的5320位，由C（Col-0）变为T（atbe1-5），致使编码的第749个氨基酸由Col-0中的脯氨酸（P）变成atbe1-5中的丝氨酸（S）。通过分析高等植物AtBE1的同源性，发现这个位点在这些植物中高度保守。该SNP不影响AtBE1的转录，对C末端的二级结构影响不大（1-550th），但增加了N末端片段中无规则卷曲的比例（551-889th），从36.96%增加到40.69%，减少了α螺旋的比例，从36.39%减少到34.38%。通过遗传互补检测，以野生型Col-0的AtBE1基因编码序列互补atbe1-5，对互补植物atbe1-5/AtBE1进行耐Cs+表型分析，发现互补后的植物恢复到野生型的Cs+敏感表型，最终确定了atbe1-5耐Cs+表型的确是由AtBE1基因的SNP所致。
（3）Cs+存在显著抑制了Col-0的光合作用，但促进了atbe1-5的光合作用。CK条件下，atbe1-5叶片发黄，通过测定叶绿素含量，发现atbe1-5叶片叶绿素含量显著低于Col-0，推测atbe1-5光合效率低于Col-0。分别测定了atbe1-5和Col-0的净光合效率[An]、叶绿素荧光参数PSI（ETR1）、PSI[Y（I）]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]。结果是：CK条件下，atbe1-5的[An]、PSI(ETR1)、PSI[Y(I)]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]明显低于Col-0。而0.4mM Cs+处理后，atbe1-5的[An]、PSI(ETR1)、PSI[Y(I)]、PSII(ETRII)和PSII[Y(II)]明显优于Col-0。说明0.4mM Cs+处理显著抑制了Col-0的光合作用，但促进了atbe1-5的光合作用，与该突变体的耐Cs+表型一致。
（4）atbe1-5具有正常的Cs+积累能力和模式，但K+积累模式发生了改变。测定根和叶中Cs+、K+含量，发现atbe1-5在CK或0.4mM Cs+处理下，其根和叶中Cs+含量与Col-0无显著差异，说明atbe1-5具有Col-0植株的Cs+积累能力。但K+积累模式与Col-0相比发生了改变：atbe1-5中根中K+含量显著低于Col-0，而叶片中K+含量显著高于Col-0，atbe1-5的K+更多的积累于叶片，而Col-0的K+更多的积累于根，说明Col-0植株为了存活根通过积累尽可能多的K+去抵耐Cs+，也体现了Col-0对Cs+更敏感。
（5）AtBE1第749个氨基酸残基是Cs+和K+结合位点，且该残基与Cs+的结合能力强于K+。通过等温滴定量热法（Isothermal Titration Calorimetry，ITC）分析Cs+、K+与合成肽之间的热动力学，合成肽对应于AtBE1第707-802个残基（含突变残基）。Col-0肽（AtBE1△707-802749P）在Cs+或K+滴定过程中表现出强的热动力学，而atbe1-5肽（atbe1△707-802749S）热动力学消除。Cs+和Col-0肽相互作用引起的热变化幅度明显高于缓冲液和K+，这表明该残基是Cs+和K+的结合位点，且与Cs+的结合能力强于K+。atbe1-5中AtBE1该残基由P突变成S后，与Cs+不结合，使得atbe1-5对Cs+不敏感，而表现出耐Cs+表型。另外Cs+竞争取代K+与AtBE1第749个残基结合，导致AtBE1酶活性的丧失。
（6）atbe1-5在蔗糖和淀粉生物合成方面存在缺陷。比较Col-0和atbe1-5叶中不同单糖和双糖的含量，结果显示，atbe1-5叶中麦芽糖水平显著高于Col-0，但蔗糖水平显著低于Col-0，其他糖类在两者之间差异不明显。分别测定Col-0和atbe1-5淀粉含量，显示atbe1-5中直链淀粉和支链淀粉含量仅为Col-0的60%和1%。表明AtBE1在蔗糖、直链淀粉尤其是支链淀粉的生物合成中有重要作用。
综上所述，本研究获得了拟南芥耐Cs+突变体atbe1-5，该突变体具有Cs+存活和积累能力，突变基因为AtBE1，该基因在蔗糖、直链淀粉特别是支链淀粉的生物合成中有重要的作用。发现AtBE1的第749个氨基酸残基P为该酶与Cs+和K+结合的关键位点，该位点与Cs+的结合能力强于与K+的结合能力。