外源氰化物(CN-)作为植物生长辅助氮源对水稻幼苗脯氨酸合成和代谢的影响

Free cyanide (CN-) is an extremely toxic chemical which arises from a diverse range of natural and industrial sources. Detoxification of cyanide by plants is an enzymatic process, in which CN- is converted into final products asparagine and ammonium. Further phyto-assimilation of ammonium in the presence of the substrate glutamate catalyzed by the enzyme glutamine synthase (GS) is a key step involved in nitrogen metabolism. However, the substrate glutamate is also an essential element participated in proline biosynthesis in plants. This project is intended to investigate the important of glutamate cross-talk in proline biosynthesis and ammonium assimilation during CN- detoxification using isotope techniques and real-time quantitative PCR. The objectives of this study are to: i) investigate uptake, accumulation, and assimilation of 15N labeled ammonium during CN- detoxification by rice seedlings; ii) clarify exogenous CN- as supplementary nitrogen source to support growth of rice seedlings using RT-PCR analysis; iii) investigate mRNA changes of all possible genes involved in CN- detoxification and ammonium assimilation; iv) investigate effects of exogenous CN- on proline biosynthesis and assimilation at mRNA level; v) clarify possible regulation mechanisms involved in CN- detoxification, ammonium assimilation and proline biosynthesis in plants.

植物降解外源氰化物（CN-）的代谢产物是天冬酰胺和铵态氮（NH4-N），后者进入植物的氮代谢需在谷氨酰胺合成酶（GS）的作用下消耗ATP催化底物（谷氨酸）和NH4-N合成谷氨酰胺，而谷氨酸也是植物体内脯氨酸合成的主要底物。本项目基于外源CN-代谢、NH4-N代谢和脯氨酸合成代谢这三个代谢过程的交叉点，从转录水平上深入探讨和解析外源CN-作为植物生长辅助氮源对水稻幼苗脯氨酸合成和代谢的影响，明确这三个代谢过程的交叉调控机制，为外源CN-的生物可利用性提供科学依据。

农业生态系统中氰化物(CN−)污染会影响水稻的氨基酸代谢，从而降低水稻的品质和产量。基于UPLC定量分析结合生理生化和PCR测试， “KCN + NO3-”处理的水稻幼苗体内Glu途径对Pro合成有显著贡献； “KCN +NH4+”处理的水稻幼苗，Orn途径控制着Pro的合成；PCR分析结合生物信息学分析显示，“KCN +NH4+”处理中参与调控Pro合成和代谢的基因差异表达的时空差异变化模式比“KCN + NO3-”处理更加显著；外源KCN处理水稻体内的Pro含量具有平衡不同氮营养条件下Pro和其关联氨基酸之间通量的作用。氨基酸靶向代谢组学分析不同氮源条件下外源KCN对水稻幼苗不同组织中氨基酸含量的影响并计算具有较高相对重要指数值的氨基酸，不同氮远条件下外源KCN处理水稻幼苗体内具有较高相对重要指数值的常见氨基酸存在很大差异，显示其在不同氮源条件下的氮素利用策略。水稻幼苗可以有效吸和同化收介质中添加的外源KCN，NH4+培育水稻幼苗对KCN的同化率明显高于NO3-培育水稻幼苗；添加KCN降低了水稻幼苗对NO3-的吸收和同化，而对水稻幼苗NH4+吸收和同化的影响可以忽略不计；中高浓度的KCN对NH4+和NO3-培育的水稻幼苗的生长具有抑制作用，但无毒浓度的KCN可作为植物营养和氮代谢的补充氮源。施加NH4+对水稻幼苗体内Pro积累的作用要大于NO3-和无氮处理，水稻幼苗体内Pro的含量与施加的NH4+量之间存在正相关性，与NO3-的施加量无关；单独施加Arg和Glu都会显著提高水稻幼苗体内Pro的含量，且前者比后者效果更佳；“Arg/Glu+ NH4+/NO3-（39.5 mg N/L）”处理组水稻幼苗体内Pro的含量显著降低；尽管单独施加的NH4+对水稻幼苗叶片中内源Pro合成的贡献非常明显，但添加外源KCN后会明显抑制内源Pro的合成。Agilent 4×44K水稻基因芯片技术分析外源KCN处理水稻幼苗不同组织中全基因组的的表达模式具有明显的组织特异性；差异表达基因功能（COG）预测结果显示叶和根中差异表达基因分别匹配到22个COG条目中，其中在５个COG条目中富集的基因个数最多；不同组织中同一COG条目下的基因都有显著差异，表明KCN胁迫在水稻幼苗体内的反应和调节机制有明显的组织特异性。