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水通道蛋白(Aquaporins)是广泛存在于植物细胞的细胞膜和内膜系统中的通道蛋白，参与水、小分子溶质（如尿素、硼酸、硅酸）以及气体（如氨气、二氧化碳）的运输。植物水通道蛋白分为四类:PIPs，TIPs，SIPs和NIPs，其中NIPs家族与原核生物、酵母以及哺乳动物三价砷[As(Ⅲ）]吸收的蛋白同源，但在植物中转运As(Ⅲ)的功能还不清楚。发掘植物中具有As(Ⅲ)转运功能的蛋白及其基因，阐明As(Ⅲ)在植物器官组织中转运和分布的分子机理不仅具有重要的理论意义，而且对通过分子设计和合成生物学培育清除砷污染的植物，或降低农作物可食用部分中砷的积累有潜在的应用价值。 本论文通过对微生物和哺乳动物中与As(Ⅲ)吸收密切相关的水孔蛋白——Fps1p、 GlpF、AQP7和AQP9氨基酸序列同源性比对，在拟南芥中找到了与它们同源性较高NIPs家族。对NIPs家族基因及其表达产物在As(Ⅲ)转运中的功能进行了深入研究，主要研究成果如下: 利用酵母功能互补和NIPs基因的T-DNA插入缺失突变体的As(Ⅲ)抗性筛选，发现9个NIPs基因虽然不能完全恢复水孔蛋白基因缺失(⊿fps1)酵母突变菌株表型，但在As(Ⅲ)胁迫条件下，拟南芥NIP3;1的T-DNA插入突变体nip3;1-1的地上部分以及NIP1;1突变体nip1;1的主根生长具有高抗性，表明NIP3;1和NIP1;1可能与三价砷的吸收和转运有关，因此分别对两个基因的As(Ⅲ)转运机理进行了深入的功能分析。 1关哥NIP3;11)通过分析基因NIP3;1在不同位点和生态型的T-DNA插入突变体如Ws-4背景的nip3;1-1以及Col-O背景的nip3;1-2、nip3;1-3、nip3;1-4和nip3;1-5在三价砷胁迫条件下的表型，发现所有NIP3;1的缺失突变体nip3;1地上部分对As(Ⅲ)抗性增强，nip3;1突变体地上部分砷吸收量明显要比野生型低，暗示NIP3;1是影响拟南芥向地上部分积累As(Ⅲ)的关键基因。 2)以CaMV35S启动子驱动NIP1;1和NIP3;1在突变体nip1;1中进行组成型超表达，可以降低nip1;1突变体主根生长对As(Ⅲ)的高抗性，表明nip1;1突变体中组成型超表达NIP1;1或NIP3;1可以恢复拟南芥植物主根生长对As(Ⅲ)超敏感性的表型，暗示NIP3;1具有与NIP1;1相似的高效吸收及转运As(Ⅲ)的功能。 3)转录水平的表达模式分析结果显示NIP3;1主要在拟南芥的根组织中表达，地上部分的表达量极少;不同浓度的As(Ⅲ)胁迫条件下处理24h和48h，NIP3;1表达丰度基本一致，无显著差异，表明NIP3;1的表达不受As(Ⅲ)胁迫影响。利用自身启动子驱动GUS报告基因分析NIP3;1组织表达定位特异性，发现该基因主要在根中大量表达，但根尖(3-5 mm的区域)细胞中没有表达;根毛区切片分析表明NIP3;1基因在表皮、皮层、内皮层、中柱鞘中表达，尤其在通往中柱木质部的通道细胞中高表达，因此推测NIP3;1在根中可能通过内皮层、中柱鞘这些薄壁通道细胞参与As(Ⅲ)向木质部的装载，在As(Ⅲ)由根向地上部分的转运过程中起重要作用。 4)利用GFP绿色荧光蛋白分析NIP3;1的细胞和亚细胞定位，结果发现C端融合GFP(NIP3;1-GFP)没有荧光信号表达，而N端融合GFP(GFP-NIP3;1)的荧光信号共定位于质膜以及胞质周围的高尔基体中，表明NIP3;1的C端可能含有表达和定位的重要信号;CaMV35S启动子驱动表达的GFP-NIP3;1在根部中柱内薄壁细胞中呈现出很强的GFP荧光信号，而且经内质网和高尔基体的荧光标记试剂BODIPY558/568-BFA处理后，根部强GFP信号转移到内皮层和中柱鞘细胞中，表明NIP3;1可能存在转录表达后调控并在中柱内薄壁细胞中积累。这些结果表明NIP3;1定位在细胞质膜和高尔基转运囊泡上，并在根中柱内的木质部周边薄壁细胞中大量聚集，揭示出NIP3;1与拟南芥根部细胞对As(Ⅲ)的吸收、转移以及向木质部装载密切相关，从而在实现As(Ⅲ)由根部向地上部分转运中起主要作用。 2.关于NIP1;1: 1)拟南芥主根生长对As(Ⅲ)非常敏感，而NIP1;1 T-DNA插入缺失突变体nip1;1的主根生长对As(Ⅲ)具有高抗性，但地上部分对As(Ⅲ)的抗性与野生型相比并不明显，推测亚砷酸转运蛋白NIP1;1可能是As(m)胁迫下限制拟南芥主根生长的关键因子。 2)通过分析NIP1;1基因翻译起始点上游1.8-kb以及含第一外显子和内含子的2.1-kb片段的启动子调控功能，发现1.8-kb片段可在根尖细胞以外的根部其它组织中驱动GUS基因表达;而2.1-kb片段可以驱动GUS基因在根部所有组织细胞中高表达，尤其根尖细胞中表达量极高，表明NIP1;1的第一外显子和内含子中可能包含了该基因组织特异性表达的关键调控元件;进一步基于基因芯片的生物信息学分析，发现在根尖和伸长区细胞中NIP1;1基因的表达丰度比其它NIPs基因家族成员高，如在根尖中，NIP1;1的mRNA转录本是其它8个NIPs基因转录总量的3.7倍。表明NIP1;1在根尖细胞中的高转录表达可能是其调控主根对As(Ⅲ)抗性的关键。 3)根尖细胞砷含量检测表明，NIP1;1功能缺失突变后的根尖细胞对As(Ⅲ)的吸收积累显著性的低于野生型以及NIP3;1基因缺失材料，进一步证实NIP1;1是调控As(Ⅲ)在根尖细胞分布的关键基因，参与拟南芥根尖细胞对As(Ⅲ)的吸收。 综上，拟南芥水通道蛋白NIP3;1主要参与根中三价砷由中柱鞘向木质部细胞的装载，在三价砷由根向地上部分转运中起重要作用;而NIP1;1则调控三价砷在根尖中的吸收分布，参与拟南芥根尖细胞的对三价砷的吸收积累并决定主根生长对三价砷胁迫的抗性。