红树植物抗重金属特性及其几丁质酶基因克隆与分析

Mangroves are one of four high properties (high productivity and high return rate, high decomposition rate and high resistance) of typical and subtropical marine ecosystems, as well as unique wetland ecosystems in intertidal coastal regions of the tropics and subtropics, mainly distribute between latitudes 25° N and 25° S. The total area of mangrove forest in the world is about 1700,000 hectares, spanning 113 countries and territories. Mangroves play an important role in the functioning of tropical coastal ecosystems, and its total net primary productivity of mangroves is as high as 2000gC/m2/day. Mangroves play a key role in the maintenance and development of tropical and subtropical marine ecosystems, also play a very important role in the process of global environmental change. To reveal the physiological and ecological characteristics under heavy metals, the activity of antioxidative enzymes and lipid peroxidation were studied in mangrove plants of Kandelia obovata, Avicennia marina etc. Class I and II chitinase genes (CG) were cloned or characterized by rapid amplification of cDNA ends (RACE) and PCR amplification, and analyzed for their structures with BLAST and ClustalW. As well as their CG protein used the pET vector had expressed in E. coli BL21. The regulation patterns for mangroves will be different for the different metals tested, the different chitinase genes and different tissues. It will be investigated for chitinase genes of Kandelia obovata, Avicennia marina etc. in response to the pressure under heavy metal and also revealed for the molecular ecological mechanisms of mangrove plants adapting to heavy metals.

以秋茄、白骨壤等红树植物为研究对象，开展在重金属胁迫下红树植物的膜脂质过氧化作用和体内活性氧清除系统中的保护酶的变化与影响研究，揭示逆境条件下红树植物的生理与生态特征；采用RACE和PCR技术，克隆红树植物I型和II型几丁质酶基因（chitinase genes，CG），通过NCBI的BLAST搜索和ClustalW比对，分析I型和II型几丁质酶基因结构；利用具有T7强启动子pET载体，将CG基因重组并转化到大肠杆菌BL21表达，进行了转化子抗重金属性能的研究该基因在红树植物抗重金属中的作用，利用实时定量PCR方法，探讨红树植物秋茄、白骨壤等I型和II型几丁质酶基因的表达与逆境存在的应答关系，揭示不同类型几丁质酶基因、不同重金属、不同组织之间的诱导表达模式，从分子水平上揭示红树植物抗重金属的生态学机理。

红树林生态系统受到多种环境污染物的影响，尤其是重金属污染物已引起了广泛的关注，但目前有关红树植物耐受重金属的分子机理的研究很少报道，从分子水平上揭示红树植物与重金属抗性相关基因-几丁质酶基因等研究基本为空白。本研究系统地比较了白骨壤、桐花树、秋茄、木榄和红海榄五种红树植物幼苗对重金属的吸收、转运和生理生化特征响应；通过克隆不同红树植物几丁质酶基因，并分析其结构和基因表达模式，分析不同类型几丁质酶基因、不同重金属、不同组织之间的诱导表达模式，探讨红树植物秋茄、白骨壤、木榄、红海榄和桐花树等I型、Ⅱ型和Ⅲ型几丁质酶基因的表达与逆境存在的应答关系，揭示红树植物抗重金属特性及其几丁质酶基因表达与调控机制。研究发现五种红树植物根部对重金属的吸收能力、迁移能力与积累机制具有差异性，其中白骨壤吸收、转移重金属的能力均高于其它红树物种。红树植物酶促和非酶促抗氧化剂（SOD、POD、CAT）在清除红树植物过量ROS中起着关键作用，抗氧化酶系统是减轻重金属胁迫下植物氧化损伤的重要机制体系。转录组测序结果显示，重金属胁迫下红树植物的差异表达基因与重金属的吸收、转运和螯合作用相关。利用生物信息学分析、实时定量PCR等技术，对红树植物几丁质酶基因进行克隆与分析，先后克隆得到木榄、红海榄、秋茄、白骨壤和桐花树I型几丁质酶基因全长，木榄、红海榄、秋茄和桐花树的Ⅲ型几丁质酶基因全长，以及秋茄I、Ⅱ和III型基因的中间特异片段。不同类型几丁质酶基因在不同组织中的表达模式有差异，且在不同浓度重金属作用下其表达量均高于对照组；几丁质酶具有可以与重金属离子发生螯合作用的位点，以减轻重金属离子对其他细胞器的伤害。从分子水平上阐释了红树林植物从细胞壁外到细胞内抵御重金属的作用机理，提出了红树林具有“四高”特性的新观点，建立红树林分子生态学理论体系，为我国滨海湿地生态修复与保护提供了科学理论依据。