能源甜菜应答重金属Cd逆境胁迫分子机制的转录组学研究及差异表达基因功能鉴定

Molecular mechanism analysis of energy beet (Beta vulgaris L.) under cadmium stress response process is the important prerequisite for heavy metal pollution bioremediation mediated by energy beet. On the basis of our previous studies, this research mainly focuses on trancriptome sequencing and bioinformatics analysis of energy beet seedlings under cadmium stress and normal conditions respectively, by introducing novel RNA-Seq technology, and constructs cadmium responsive Unigene library and transcriptome expression profile. Through systematic analysis of gene changes in energy beet transcriptome caused by cadmium stress, we try to identify specific candidate genes related to cadmium tolerance, and analyze their GO functional enrichment and KEGG metabolic pathway and etc. By carrying on q-PCR, the transcript expression characteristics of differential expression genes are detected under cadmium stressful conditions. Meanwhile, the cadmium regulation mechanisms of functional genes are demonstrated by over-expression of their fusion proteins in Escherichia coli in vitro. The construction of cadmium regulatory network and identification of specific functional genes not only provide the comprehensive understanding of molecular mechanism of energy beet responsive to cadmium stress, but also will supply candidate genes for researching and developing the unique heavy metal resistant gene resources. Moreover, the results obtained will lay an important theoretical foundation for heavy metal pollution bioremediation by utilizing energy beet.

能源甜菜应答重金属镉逆境胁迫分子机制的研究，是利用能源甜菜进行重金属污染生物修复的基础和重要前提。在前期研究工作基础上，应用新兴的RNA-Seq技术分别对Cd胁迫和非胁迫条件下，能源甜菜不同组织中的转录本进行测序和深度的生物信息学分析，构建能源甜菜应答Cd胁迫的Unigene库和转录组表达谱。通过系统研究Cd诱导的甜菜基因转录组变化，筛选与Cd逆境胁迫耐受性相关的特异基因，并进行GO功能富集和KEGG代谢途径等分析。利用q-PCR对差异表达基因在Cd逆境下甜菜体内的转录表达特性进行研究；同时，利用大肠杆菌重组表达技术体外功能验证差异表达基因的Cd逆境调控机制。能源甜菜Cd逆境胁迫调控网络的构建以及特异功能基因的获得，不仅为全面了解该能源作物镉逆境的分子应答机制提供了依据，同时也为研究和开发其独特的耐重金属基因资源提供了候选基因，进而为利用能源甜菜进行重金属污染生物修复奠定良好的理论基础。

能源甜菜应答重金属镉逆境胁迫分子机制的研究，是利用能源甜菜进行重金属污染生物修复的基础和重要前提条件。本课题通过Illumina转录组高通量测序技术分别对Cd逆境胁迫和非胁迫条件下，能源甜菜不同组织中的转录本进行测序和深度的生物信息学分析，分别获得了能源甜菜地上部和地下部应答Cd逆境胁迫的转录组表达谱。通过系统研究镉诱导的能源甜菜基因的转录变化，分别在能源甜菜的地上部以及地下部筛选出一系列与重金属逆境胁迫相关的差异表达基因。随机挑选20个DEGs，经qRT-PCR进一步验证了RNA-Seq测序结果的正确性。通过聚类分析、GO功能富集和KEGG代谢途径分析发现，这些差异表达基因大多数为上调表达基因且集中于地下部，主要属于细胞过程和分子功能相关的蛋白质磷酸化、离子结合转导、激酶活性以及氧化还原反应等基因，并参与到植物荷尔蒙信号转导、谷胱甘肽代谢、氨基酸核酸糖代谢等逆境相关路径中。同时，实验选取了三个特异表达的具有代表性的基因BvMTP11、BvGST和BvHIPP24，利用大肠杆菌和真核单细胞酵母重组表达技术进行体外功能验证，发现这三个功能基因均可以在一定程度上提高大肠杆菌及酵母对重金属镉逆境胁迫的耐受性，因此可以推断这三个基因不同程度的参与到能源甜菜对Cd逆境的调控机制中。实验进一步通过切片和双硫腙染色，利用光学显微镜对比分析能源甜菜不同组织结构中的镉离子分布特点，利用透射电镜观察镉离子对甜菜亚细胞结构的影响。研究发现，Cd离子主要累积于根、茎和叶柄维管束周围的组织细胞中，并通过质壁分离、胞质溶解、线粒体自噬、叶绿体破裂、核仁皱缩等超微结构损伤，影响细胞功能。通过能源甜菜Cd逆境胁迫调控网络的构建以及特异功能基因的获得，不仅为全面了解该能源作物镉逆境的分子应答机制提供了依据，同时也为研究和开发其独特的耐重金属基因资源提供了候选基因，进而为利用能源甜菜进行重金属污染生物修复奠定良好的理论基础。项目资助发表论文7篇，专著1部，申请课题3项。培养学生5名。项目投入经费20万元，支出15.7685万元。剩余经费用于后续研究支出等。