锌是植物生长所必须的微量营养元素之一,其在土壤中存在形态主要有有机矿物态、水溶态、吸附态和有机螯合态。然而,土壤中可以被植物吸收利用的有效锌只占全锌的极少部分,特别是在石灰性土壤中锌的有效性很低,植物很容易缺锌。由于锌是人体重要的微量元素,土壤缺锌导致的人体锌营养缺乏成为了我国及大多数发展中国家的严重食品安全问题,我国的饮食结构也导致了包括锌在内的微量元素缺乏症的高发,尤其是少年儿童、孕妇、母乳营养性缺乏尤为严重。在农业生产中,人们通过施加外源锌元素来缓解植株缺锌症状,但是作为微量元素的锌,施用不当易造成植物锌中毒以及对环境的污染。现代可持续发展农业要求作物高产、高质的同时兼顾对环境的保护,因此,能够准确监测作物体内锌营养状况,有效指导锌肥的施用是农业可持续发展过程中亟需解决的技术问题。目前,在传统的形态学诊断基础上已逐步发展出一系列新的植物营养诊断方法:化学诊断、光谱学诊断、生物工程诊断等·本研究通过生物工程技术手段,成功培育出缺锌特异指示作物,从而实现了对植物体内锌营养的快速诊断和可视化动态监测·主要结果如下:1.利用基因芯片数据,我们首先对模式作物拟南芥缺锌特异基因进行了初步筛选,然后培养不同缺素拟南芥进行分析验证,筛选到拟南芥缺锌特异基因AtZIP4。进一步对AtZIP4基因启动子加以分析,表明AtZIP4基因启动子上游250bp附近存在两个响应缺锌信号的ZDRE顺式作用元件。2.我们成功克隆了AtZIP4基因编码起始位点ATG上游2800bp作为AtZIP4基因启动子序列,利用已经应用于转基因烟草中的花青素合成代谢途径转录因子Pr基因,构建了AtZIP 启动子调控Pr基因表达的烟草表达载体·将表达载体转入烟草中成功构建了缺锌诊断系统,该系统在缺锌条件下,转基因烟草指示性的变紫。对该系统相关基因表达和表型的分析表明:在缺锌条件下,AtZIP4启动子成功诱导了Pr基因的表达,进而激活花青素合成途径相关基因,从而导致花青素的积累。3.为了验证烟草缺锌诊断系统的专一性和灵敏性,我们对烟草进行了不同缺素处理、不同浓度缺锌处理和不同缺锌时间和恢复供锌处理。结果表明,烟草缺锌系统对锌营养具有专一性。在缺锌处理下,随着缺锌时间的增加紫色逐渐变深;恢复供锌后,转基因烟草在短期内恢复正常的绿色。另外,系统不受氮、磷、钾、铁、镁等其他营养胁迫的影响。所有这些结果表明,用AtZIP4启动子驱动Pr基因的表达系统可成功用于烟草作物的缺锌专一、灵敏的可视化诊断。