马建锋教授，国际著名植物营养学家、植物生物学国际顶尖科学家、日本冈山大学资源植物科学研究所教授。1984年从南农本科毕业后，马建锋公派前往日本京都大学攻读硕士和博士学位，主要研究水稻硅(Si)的营养；1991年，获得博士学位后，马建锋在Suntory(三得利)公司生物有机科学研究所开展麦根酸的研究工作，并在此期间探究出了麦根酸的生物合成途径，获得了1994年日本的“土壤肥料学会奖励奖”。1995年，马建锋获得担任日本冈山大学助理教授的机会，酸性土壤中的铝(Al)开始进入他的研究视野，1997年，马建锋的研究成果首次发表在了Nature上。1999年，马建锋成为日本香川大学副教授后，开展了植物矿质营养的分子生物学研究。2005年，马建锋以教授身份回到冈山大学后，取得了一系列世界前沿性的成果（来源于南京农业大学网站报道）。
一、铝的研究
水稻（Oryza sativa L.）是小杂粮作物中的一个抗高铝品种，但其抗高铝的机理尚未阐明。本研究从耐γ射线的水稻品种中分离出3株抗γ射线的突变体。以根系相对伸长量作为评价抗铝性的参数。经过初步筛选和两轮验证试验，从560株系中分离出一株突变体（als1）。该突变体表现出与不含铝的野生型植物相似的表型。然而，在10μm Al存在下，突变体的根系伸长受到抑制70%，而野生型植株仅抑制8%。突变体在酸性土壤中的根系生长也较差。野生型植株根尖（0～1cm）铝含量较低。突变株与野生型植株对Cd、La等其它金属的敏感性无差异。在铝胁迫下，突变体根系分泌少量柠檬酸盐，但与野生型植株的分泌量无差异。对als1与野生型植株F（2）群体的遗传分析表明，抗铝苗和铝敏感苗按3:1的比例分离，表明als1对铝的高敏感性是由一个隐性基因控制的。该基因被定位到6号染色体的长臂上，两侧有InDel标记MaOs0619和MaOs0615。STAR1也就是ALS1，编码细菌型ATP结合盒（ABC）转运蛋白的核苷酸结合结构域，而同源基因STAR2编码跨膜结构域。任一基因的破坏导致对铝毒性的超敏反应。STAR1和STAR2都主要在根中表达，并且由Al暴露特异性诱导。在洋葱表皮细胞，水稻原生质体和酵母中的表达表明，STAR1与STAR2相互作用形成复合物，定位于所有根细胞的囊泡膜，除了成熟区表皮层中的那些。当在非洲爪蟾卵母细胞中一起表达时，STAR1/2显示出对UDP-葡萄糖特异的外排转运活性。此外，添加外源UDP-葡萄糖拯救了暴露于Al的star1突变体中的根生长。这些结果表明STAR1和STAR2形成复合物，其作为ABC转运蛋白起作用，这是水稻中Al解毒所必需的。ABC转运蛋白转运UDP-葡萄糖，其可用于修饰细胞壁。
铝（Al）毒性是酸性土壤上作物生产的主要限制因素，但一些植物物种已经进化出解毒Al的方法。通过根据先前描述的程序筛选射线照射的水稻（Koshihikari）的耐铝品种的M3品系，分离对Al根毒性（art1）敏感的突变体。art1与其野生型之间的根和芽形态没有差异。在没有Al的情况下，突变体显示出与野生型相似的根生长。然而，在Al存在下，art1的根伸长比野生型显着受到抑制。发现C2H2型锌指转录因子ART1（用于Al抗性转录因子1），其特异性调节水稻（Oryza sativa）中与Al耐受性相关的基因的表达。ART1在根中组成型表达，并且表达水平不受Al处理的影响。ART1定位于所有根细胞的细胞核中。酵母单杂交试验表明，ART1具有转录激活潜能，并与STAR1的启动子区域相互作用，STAR1是水稻Al耐受的重要因素。微阵列分析揭示了由ART1调节的31个下游转录物，包括STAR1和2以及其他植物中Al耐受基因的几个同源物。这些基因中的一些与不同细胞水平的Al的内部和外部解毒有关。我们的研究结果揭示了全面了解植物如何解毒铝在酸性环境中存活。ART1是一种独特的C2H2锌指型转录因子，共调节31个基因。
1. 靶基因1
其中一个基因（Os02g0131800）被注释为编码一种属于Nramp（天然抗性相关巨噬细胞蛋白）家族的蛋白质。发现一种转运蛋白Nrat1（Nramp铝转运蛋白1），特异于水稻中的三价Al离子。Nrat1属于Nramp（天然抗性相关巨噬细胞蛋白）家族，但与其他Nramp成员的相似性较低。当在酵母中表达时，Nrat1转运三价Al离子，但不转运其他二价离子，如锰，铁和镉，或柠檬酸铝复合物。Nrat1定位于除表皮细胞外的所有根尖细胞的质膜上。敲除Nrat1导致Al吸收减少，Al与细胞壁结合增加，Al敏感性增强，但不影响对其他金属的耐受性。Nrat1的表达被根中的Al上调并受C2H2锌指转录因子（ART1）的调节。因此，我们得出的结论是，Nrat1是三价Al的质膜定位转运蛋白，这是通过将Al螯合到液泡中进行最终Al解毒的先前步骤所必需的。酵母中的异源分析表明，Nrat1的Al转运活性不受高浓度Ca存在的影响，但受到三价离子（包括Yb和Ga，Al的类似物）的显着抑制。敲除Nrat1不影响水稻中Cd和Mn的吸收。另一方面，与野生型水稻相比，Nrat1的过表达导致水稻根吸收Al增强，但不影响Cd吸收。这些结果提供了进一步的证据，与其他Nramp成员不同，Nrat1是三价Al离子的流入转运蛋白。
2. 靶基因2
有毒铝迅速进入根细胞，因此需要内部解毒。然而，这一过程背后的分子机制知之甚少。在这里，我们在功能上表征了水稻基因Os03g0755100（OsALS1），其受ART1（C2H2型锌指转录因子）调节。OsALS1编码一半大小的ABC转运蛋白，它是TAP（与抗原加工相关的转运蛋白）亚组的成员。OsALS1的表达由根中的Al快速且特异性地诱导，但不被其他金属或低pH诱导.OsALS1定位于根的所有细胞。此外，OsALS1定位于液泡膜。这些表达模式和定位的细胞特异性不同于拟南芥中同源基因AtALS1的表达模式和细胞特异性。在三个独立的品系中敲除OsALS1导致对Al的敏感性显着增加，但不影响对其他金属的敏感性和低pH值。野生型和osals1突变体之间Al积累模式的比较表明，野生型和突变体之间根尖细胞汁液中Al水平没有差异，但突变体在细胞质和细胞核中积累的Al比野生型更多。OsALS1在酵母中的表达由于错误定位导致Al敏感性增加。这些结果表明定位于液泡膜的OsALS1负责将Al隔离到液泡中，这是水稻中Al内部解毒所必需的。
3. 靶基因3
OsCDT3，其编码仅富含半胱氨酸的53个氨基酸残基的预测肽。敲除该基因导致对Al的耐受性降低，但不影响对Cd的耐受性。包括细胞壁和敲低株系质膜在内的根残基中的铝（Al）含量降低，但与野生型水稻相比，根细胞汁液中的Al浓度增加。OsCDT3主要在根中表达，其表达是由Al暴露特异性诱导的，而不是由低pH和其他金属诱导的。OsCDT3表达水平存在较小的基因型变异，但17个水稻品种的Al耐受性与OsCDT3变异无相关性。对pOsCDT3：：GFP转基因水稻的分析表明OsCDT3在根尖的所有细胞中都有表达。在N-和C-末端与GFP融合的OsCDT3的瞬时表达显示OsCDT3锚定到质膜上。OsCDT3在酵母中的表达赋予对Al的耐受性，但不赋予对Cd的耐受性。此外，OsCDT3在酵母中不显示Al的转运活性，但能够在体外直接结合Al。总之，我们的结果表明OsCDT3锚定到质膜可能通过结合Al阻止Al进入根细胞起作用，因此有助于水稻中的高Al耐受性。
4. 靶基因4：
OsEXPA10在根和芽中的表达水平相似，但只有根中的表达响应于Al而迅速上调。此外，空间表达分析表明，Al诱导的表达仅在根尖（0-3mm）中发现，而在成熟根区中未发现。该表达既不受包括Cd和La在内的其他金属的诱导，也不受低pH的诱导。免疫染色显示OsEXPA10定位于根尖的所有细胞。敲除OsEXPA10导致在不存在Al的情况下根的细胞伸长显着降低。在Al存在下，敲除OsEXPA10不会改变通过相对根伸长评估的Al敏感性，但与野生型水稻相比，敲除系的根细胞壁积累的Al较少。总的来说，我们的结果表明，在根尖中表达的OsEXPA10是根细胞伸长所必需的，但是该基因对水稻中高Al耐受性的贡献很小。
二、硅的研究
水稻（Oryza sativa）在顶部积累硅（Si）至最高茎干重的10.0%，但不了解导致水稻根部高Si吸收的机制。我们通过筛选在25摄氏度下用10（-3）M叠氮化钠处理6小时的水稻cv Oochikara的M（2）种子（64000），分离出活性Si摄取缺陷的水稻突变体（GR1）。野生型（WT）和GR1之间没有表型差异，除了当供应Si时GR1的叶片保持流口水。吸收实验表明，在低和高Si浓度下，GR1对Si的吸收显着低于WT。然而，磷和钾等其他营养素的摄取没有差异。WT的木质部汁液中的Si浓度是外部溶液的33倍，但GR1的Si浓度比0.15mM Si的外部溶液高3倍。WT的Si吸收被包括NaCN和2,4-二硝基苯酚的代谢*制剂抑**以及低温抑制，而GR1的Si吸收不受这些试剂的抑制。这些结果表明，GR1中Si吸收的主动转运系统被破坏。对GR1和WT之间的F（2）群体的分析表明，具有高Si吸收的根和具有低Si吸收的根以3:1的比例分离，表明GR1是Si吸收的隐性突变体。lsi1（低硅水稻1）是硅吸收缺陷的水稻突变体。与野生型相比，该突变体在整个生长期内在枝条中积累较少的硅，并且易受害虫和疾病的影响。该突变体的谷物产量是野生型水稻的十分之一。粗定位将控制硅摄取的基因（Lsi1）定位到2号染色体。为了精细定位Lsi1，我们使用了大约1000个硅吸收低的纯合子，这些选自Lsi1纯合子和籼稻品种Kasalath之间杂交的F2植物。我们开发了新的标记，并将Lsi1的候选区域映射到标记Lsi1-4和E60168之间的88千碱基（kb）和标记Lsi1-a和Lsi1-6之间的13.9 kb。使用基因预测软件，我们预测了候选区域中的一个基因，对其进行了测序，并在野生型和lsi1突变体之间进行了比较。我们在候选基因的DNA序列中发现了一个突变（野生型中的G；突变体中的a），该突变导致氨基酸从野生型中的丙氨酸变为132位突变体中的苏氨酸。因此，我们认为该候选基因为Lsi1。该基因由五个外显子和四个内含子组成。该基因的互补DNA长1409个碱基对（bp），推导的蛋白质含有298个氨基酸。预计该基因编码类似于水通道蛋白（水通道蛋白）5的膜蛋白。预测的氨基酸序列具有六个跨膜结构域和两个Asn-Pro-Ala（NPA）基序，在典型的水通道蛋白中非常保守。BLAST搜索和ClustalW分析显示Lsi1属于Nod26样主要内在蛋白（NIP）亚家族。该基因属于水通道蛋白家族，在根中构成性表达。Lsi1定位于外皮层和内皮层细胞远端的质膜上，casparian带位于其上。抑制Lsi1表达导致硅摄取减少。此外，Lsi1在爪蟾卵母细胞中的表达仅表现为硅的转运活性。硅转运蛋白的鉴定不仅为深入了解植物的硅吸收系统提供了一个新的途径，而且为通过基因改造植物根系的硅吸收能力来生产抗多种胁迫的作物提供了新的策略。
为了鉴定参与硅外排转运的基因，我们使用对锗的耐受性作为选择参数，筛选了硅吸收缺陷的新水稻突变体。锗是硅的类似物，植物根部以类似于硅的方式吸收锗叶上的褐色斑点。然而，锗对植物有毒。我们从大约4600 cm3的种子（cv。台中65）用N-甲基-N-亚硝基脲诱变，命名为突变体低硅水稻2（lsi2）。我们构建了一个F2作图群体，该群体来源于lsi2和籼稻品种Kasalath之间的杂交。我们使用F2植物通过大量分离分析将基因（Lsi2）大致定位到3号染色体的远端区域。低硅水稻2（Lsi2），它与Lsi1没有相似性。该基因在根中组成型表达。该基因编码的蛋白质与Lsi1一样定位于外胚层和内胚层细胞的质膜上，但与Lsi1定位于远端相反，Lsi2定位于同一细胞的近端。Lsi2在非洲爪蟾卵母细胞中的表达不会导致硅的流入转运活性，但是用硅预加载卵母细胞会导致硅的释放，表明Lsi2是硅的流出转运蛋白。这种硅转运蛋白的鉴定揭示了植物中营养转运的独特机制：一侧具有流入转运蛋白，另一侧具有流出转运蛋白，以允许营养物的有效跨细胞转运。
Si吸收的主要部位位于根部的基部区域（距根尖>10mm），而不是根尖（距根尖<10mm）。与Si摄取模式一致，Lsi1蛋白的Lsi1表达和分布仅在根的基部区域中发现。在花粉，冠和侧根的基底区域，Lsi1蛋白在形成Casparian条带的外胚层和内胚层的远端显示极性定位。这表明Lsi1是通过外胚层和内胚层细胞转运Si所必需的。Lsi1的表达显示出明显的昼夜模式。此外，在抽穗期周围表达瞬时增强，这与在该生长期期间的高Si要求一致。表达受脱水胁迫和脱落酸的下调，表明Lsi1的表达可能受脱落酸的调节。
OsNIP2；1（Lsi1，硅流入转运蛋白）中的突变显着降低亚砷酸盐吸收。此外，在硅外排转运蛋白Lsi2缺陷的水稻突变体中，亚砷酸盐向木质部的转运和芽和籽粒中的积累大大减少。与Lsi1相比，Lsi2突变对田间水稻芽和籽粒中砷积累的影响更大。因此，水稻根中的亚砷酸盐转运与硅具有相同的高效途径，这就解释了为什么水稻在砷积累方面有效。我们的研究结果提供了对水稻中亚砷酸盐吸收机制的深入了解，以及减少谷物中砷积累以提高食品安全性的策略。
基于同源性研究，在水稻基因组中存在Si流入转运蛋白Lsi1的紧密同源物（Os NIP2；2；本文中命名为Lsi6）。我们通过PCR从水稻根的cDNA中分离出该基因。Lsi6由5个外显子和4个内含子组成，具有894bp的开放阅读框，编码298个氨基酸的蛋白质。转运蛋白Lsi6，它参与了芽中Si的分布。Lsi6属于水通道蛋白的nodulin-26内在蛋白III亚组，可渗透硅酸。Lsi6在叶鞘和叶片以及根尖中表达。细胞定位研究表明，Lsi6存在于叶鞘和叶片的木质部薄壁细胞中。此外，Lsi6在面向容器的一侧显示极性定位。敲除Lsi6不影响根对Si的吸收，但导致二氧化硅在芽中的无序沉积和Si在滴液中的排泄增加。这些结果表明，Lsi6是负责将Si运输出木质部并随后影响叶中Si分布的转运蛋白。Lsi6是水稻（Oryza sativa）中的硅转运蛋白，当穗完全出现时，其在穗下方的节点I中的表达大大增强。Lsi6主要定位于位于节点I中扩大的大维管束的外边界区域的木质部转移细胞.Lsi6的敲除减少了穗中的Si积累，但增加了旗叶中的Si积累。这些结果表明Lsi6是参与血管间转移的转运蛋白（即，从根部到连接到圆锥花序的扩散维管束的大维管束的硅转移）。这些发现将有助于选择性地增强必需营养素的积累和减少谷物可食用部分中的有毒矿物质。
三、Mn研究
水稻（Oryza sativa）能够积累高浓度的Mn而不显示毒性；然而，Mn吸收的分子机制尚不清楚。在拟南芥和水稻（Oryza sativa）基因组中，分别有六个和七个成员，其中一些成员已经过功能表征。在拟南芥中，Nramp1,3和4在酵母中显示出Fe，Mn和Cd的转运活性，而Nramp6仅转运Cd但不是Fe。Nramp2在酵母中未显示Fe的转运活性，其确切功能尚不清楚。Nramp1定位于根细胞的质膜，并作为Mn摄取的高亲和力转运蛋白。相比之下，水稻中存在的七个Nramp基因中只有两个在分子水平上得到了表征。Nramp（用于天然抗性相关巨噬细胞蛋白）家族的成员Nramp5参与Mn摄取并随后在水稻中积累高浓度的Mn。Nramp5在根中组成型表达并编码质膜定位蛋白。Nramp5极性定位于外胚层和内胚层细胞的远端。敲除Nramp5导致生长和谷物产量显着降低，特别是当在低Mn浓度下生长时。通过提供高浓度的Mn而不是通过添加Fe可以部分地挽救这种生长减少。矿物分析表明，敲除品系中根和芽中Mn和Cd的浓度低于野生型水稻。短期摄取实验表明，敲除品系失去了摄取Mn和Cd的能力。总之，Nramp5是Mn和Cd的主要转运蛋白，负责将Mn和Cd从外部溶液转运到根细胞。
三、镉研究
过去从大米中摄入有毒镉（Cd）会导致痛痛病，仍然是对人类健康的威胁。因此，控制土壤中Cd的积累是一个重要的食品安全问题，但控制的分子机制尚不清楚。糙米（Oryza sativa）中低镉（Cd）积累的特点对食品安全具有重要意义。减少谷物中Cd积累的有效方法是控制Cd从根到芽的转移。
1. 在这里，我们调查了来自水稻核心集合的146个种质中枝条Cd浓度的基因型变异，并进行了数量性状基因座（QTL）分析以确定控制枝条Cd积累的基因座。此外，我们在生理学上表征了用于QTL分析的两个种质。发现芽Cd浓度的大基因型变异（13倍）。使用来自Badari Dhan（高Cd登录号）和Shwe War（低Cd登录号）的F2群体在11号染色体上检测到主要QTL。该QTL解释了Cd积累中16.1%的表型变异。此外，通过对晚期后代的分析证实了该QTL。生理学研究表明，Badari-Dhan和Shwe-War对根的Cd吸收没有差异，但Cd从根到芽的转运差异很大。总之，我们的研究结果表明，检测到的主要QTL负责Cd从根到芽的转运。
2. 发现一种基因（OsHMA3），其负责水稻中低Cd积累，该基因是从源自高和低Cd积累品种之间杂交的作图群体中分离的。即当在同一田地中生长时，Anjana Dhan在枝条（叶片和鞘）和糙米（去壳谷物）中显示出比Nipponbare高几倍的Cd积累。该基因编码属于P（1B）型ATPase家族的转运蛋白，但与其他成员的相似性较低。酵母中的异源表达表明，低Cd品种的转运蛋白具有功能，但高Cd品种的转运蛋白失去了功能，这可能是由于单个氨基酸突变所致。在低和高Cd积累品种中，转运蛋白主要在根细胞的液泡膜中以相似的水平表达。来自低Cd积累品种的功能基因的过表达选择性地降低了Cd的积累，但没有降低谷物中的其他微量营养素。我们的研究结果表明，来自低Cd积累品种的OsHMA3通过选择性地将Cd螯合到根液泡中来限制Cd从根转移到地上组织。
四、砷研究
砷（As）是一种慢性毒物，会导致严重的皮肤病变和癌症。水稻（Oryza sativa L.）是砷的主要膳食来源；因此，减少水稻籽粒中的砷积累，从而减少进入食物链的砷含量至关重要。在这里，基于拟南芥同源比对，水稻C型ATP结合盒（ABC）转运蛋白（OsABCC）家族成员OsABCC1参与了水稻籽粒中As的解毒和还原。我们发现OsABCC1在许多器官中表达，包括根，叶，节，花梗和轴。当植物暴露于低水平的As时，表达不受影响，但响应于高水平的As而上调。在连接到穗的基部节点和上部节点中，OsABCC1定位于维管束的韧皮部区域。此外，OsABCC1定位于液泡膜并赋予酵母中植物螯合素依赖性As抗性。水稻中OsABCC1的敲除导致对As的耐受性降低，但不影响镉毒性。在繁殖生长阶段，野生型水稻的节点和其他组织中的As含量高于OsABCC1敲除突变体，但在谷物中显着降低。总之，我们的结果表明OsABCC1通过隔离如在水稻节点的韧皮部伴随细胞的液泡中限制As转运至谷物。