内质网应激参与镉诱发的植物细胞程序性死亡的机制研究

内质网应激是一种细胞适应性自身保护机制，表现为细胞内质网未折叠或错误折叠蛋白积累，持续的或剧烈的应激反应能激发程序性细胞死亡。重金属镉污染近年来在我国呈高发态势。我们在前期的实验中观察到，内质网应激可能参与了镉诱发的植物细胞程序性死亡，但其机制尚不清楚。本项目拟利用前期我们与大连理工大学精细化工国家重点实验室研发的一种新的Cd2+比例荧光探针Probe-Cd2+-1，结合目前已知的特异性Ca2+、NO和ROS荧光探针以及分子生物学技术，对镉诱发的植物细胞程序性死亡过程中的内质网信号途径以及哪些信号分子参与这一途径及其相互关系进行深入研究，旨在阐明重金属镉对植物细胞毒害的分子机制，为通过分子设计培育耐受镉毒害且降低镉积累的安全农作物或超积累镉的修复植物提供理论依据。

内质网应激是一种细胞适应性保护机制。我们在前期工作中观察到，内质网应激可能参与了重金属镉诱发的植物细胞程序性死亡，但其机制不清楚。在过去的四年中，本项目利用细胞生物学与分子生物学相结合的方法，对镉诱发的植物细胞程序性死亡过程中的内质网应激信号途径、参与这一途径的信号分子以及关键基因和蛋白的功能进行了深入研究。研究结果表明，镉胁迫诱导的烟草BY-2悬浮细胞的细胞程序性死亡是由内质网应激介导的，并且NO、Ca2+和ROS这些信号分子均参与了这一过程。其中NO通过调控ROS的产生加剧这一过程；Ca2+不仅影响BY-2细胞对Cd2+的吸收，还通过抑制胞内的ROS产生而缓解镉胁迫引发的内质网应激和随后发生的细胞程序性死亡。内质网中重要的分子伴侣BiP蛋白通过协助吸收Ca2+增强植物细胞抵抗镉胁迫能力，从而缓解内质网应激，进一步抑制细胞程序性死亡；而拟南芥中一个编码双功能酶的SAL1基因功能的缺失则通过减少ROS的产生而缓解内质网应激信号途径对镉胁迫的响应。这些工作首次在植物细胞中发现内质网应激途径介导镉胁迫诱导的细胞程序性死亡，初步揭示了重金属镉对植物细胞毒害的分子机理，为通过分子设计培育耐受镉毒害且低积累的安全作物提供了重要理论依据。此外针对现实污染环境往往存在镉和砷的复合污染，我们进一步系统分析了模式植物拟南芥中甘油水通道蛋白（NIPs）亚家族全部9个成员对As(III)的抗性及转运调控。结果表明NIP1;1和NIP3;1基因的表达分别影响了拟南芥主根和地上部对As(III)的抗性，其中NIP3;1对As(III)的吸收以及从根到茎的转运起来非常重要的作用。这为将来培育耐受镉砷复合污染、且控制地上部镉砷积累的安全作物提供了重要的分子基础和技术手段。