重金属氧胁迫下OsBBI基因的解毒机理研究

Heavy metal pollutions have a serious effect on output and quality of crops, and then affect economic development and human health in China.The physiological and molecular mechanisms of plant responding to heavy metal stress have become research hotspots, and chief of all is the mechanisms of crops responding to metal oxidative stress. Rice Bowman-Birk inhibitor is a low molecular weight, Cys-rich protein, and is also an antioxidant protein. In our previous research, we found that OsBBI could increase the tolerance of yeast response to heavy metal, while the heavy metal toxicity in cells is mainly generating redundant reactive oxygen species.In this project, we will start with the detoxication mechanisms of OsBBI response to metal oxidative stress, based on rice transgenetic assay, yeast two hybrid, gel shift, transient expression and DNA chip techniques. The purpose of this research is to clarify the signal transduction pathway and the biochemical mechanisms of heavy metal oxidative stress. The results of this study will not only reveal the mechanisms of crop responding to heavy metal stress in depth, but also identify functional gene for genetic improvement in crops.

重金属污染对农作物的产量和品质产生严重的影响，并进而影响国民经济及人类健康。植物重金属抗性生理和分子机制成为研究热点，而重金属氧胁迫应答的分子机理是研究的核心问题之一。OsBBI (Rice Bowman-Birk inhibitor)蛋白是一个富含半胱氨酸的小分子蛋白，具有较强的抗氧化性。我们的前期研究表明OsBBI基因能够提高细胞对重金属的耐受性，而重金属的主要毒害因素为产生富余的活性氧。本研究拟从OsBBI基因应答重金属氧胁迫的脱毒的分子机制入手，综合采用水稻转基因、酵母双杂交、凝胶阻滞、瞬时表达、基因芯片等技术，阐释OsBBI基因应答氧胁迫的信号通路，以及重金属脱毒的生化机制。研究结果在理论上能深入揭示重金属胁迫的分子机制，同时为通过转基因技术综合改善作物重金属抗性或富集能力提供可操作的功能基因。

镉污染是中国境内最严重的重金属污染物，农田中的镉污染严重地影响中国栽培稻的生长、品质和产量。在本研究中，我们通过构建水稻的全长cDNA文库，并将文库在酿酒酵母对重金属镉敏感的突变株ycf1∆中进行筛选，获得了一个编码Bowman-Birk胰蛋白酶抑制剂（Bowman-Birk trypsin inhibitor 4, OsBBTI4）的cDNA克隆。序列分析表明该cDNA编码的OsBBTI4蛋白含有3个高度保守的、富含半胱氨酸的BBTI结构域，其中半胱氨酸Cys的含量在整个蛋白中占10.36%。对水稻基因组数据库分析表明，水稻1号染色体短臂上含有包括8个OsBBTI基因家族成员（OsBBTI1-OsBBTI8）的串联重复片段。本研究主要针对水稻OsBBTI成员对重金属胁迫的应答。我们的表达分析结果表明，8个OsBBTI基因家族成员的表达均受到重金属、氧化胁迫和茉莉酸甲酯的诱导。在酵母中的功能分析表明，不同的OsBBTI成员能够互补不同的酵母重金属敏感突变株，其中包括对对镉敏感的ycf1∆、对铜敏感的cup2∆、以及对锌敏感的zrc1∆。8个OsBBTI基因家族成员均能够互补酵母对H2O2敏感的突变株skn7∆和yap1∆，表明8个OsBBTI蛋白均具备抗氧化能力，属于抗氧化蛋白。融合蛋白的纯化和体外分析表明OsBBTI4蛋白可以体外结合重金属镉离子。酵母和水稻中的转基因表达OsBBTI4基因能够影响镉离子含量及分布。