镉诱导拟南芥根毛细胞钾离子泄漏机制的研究

Cadmium (Cd2+) interferes with the uptake of several macro- and micronutrients, which accounts, at least in part, for Cd2+ toxicity in plants. However, the mechanisms underlying Cd2+ interference in ionic transportation is not understood well. Our preliminary data show that the uptake of K+ in root hairs of Arabidopsis was reduced by exogenous Cd2+, while the efflux of K+ was stimulated significantly. In this project, using a series of techniques (including patch clamp, molecular and genetic approaches) and mutated Arabidopsis in K+ channel and their respective controls, we try to explore the mechanism responsible for K+ efflux induced by Cd2+ exposure. By electrophysiological analyses in Xenopus oocytes expressing wild-type or mutated GORK, the attempt of this project is to identify the potassium channel protein interacted with Cd2+ and to target the precise site(s) for Cd2+ binding. The conducting of this project will provide solid and direct evidences for elucidating the mechanism of Cd2+ toxicity in plants.

镉对植物的毒害作用之一是影响了根系对矿质元素的吸收，但其中所涉及的机理并不清楚。本项目前期研究表明，外源镉处理抑制了拟南芥根毛细胞对K+的吸收，与此同时诱导了明显的K+泄漏。本项目将利用拟南芥钾通道基因突变体及对应的野生型为材料，并利用爪蟾卵母细胞作为异源表达体系，借助一系列电生理学、分子生物学和遗传学等技术手段，对镉诱导的根毛细胞K+泄漏机制进行深入研究，鉴定出受镉调控的质膜上的钾通道类型，找出镉直接作用的靶位点，并深入分析相应的遗传学基础，为最终揭示重金属镉的毒害机理提供翔实可靠的证据。

本项目在执行的四年期间针对申请书中所列的研究内容逐一进行了深入和扩展研究，得到了一系列真实可靠的实验数据，发表了一系列高水平的研究论文。主要内容和结果如下：1、重金属镉处理明显抑制拟南芥根毛细胞钾离子的吸收，主要作用靶位点为钾离子通道蛋白AKT1。2、经过反复实验证明，在前期预研工作中发现的镉诱导的钾离子外泄现象理解有误，真实情况是，在低镉处理时细胞膜阳离子外排电流实为氯离子吸收的提高，而高镉处理时则造成了膜的物理性伤害。3、针对阴离子吸收现象，我们进行了深入扩展研究，鉴定了两个新的负责氯离子向液泡中积累的通道蛋白，并深入研究了通道蛋白特性。4、鉴定了一个负责向液泡中积累磷的通道蛋白，并深入分析了通道蛋白的性质。这些研究成果对于我们深入理解重金属镉的毒害机理，全面探明拟南芥细胞离子的平衡机制提供了重要理论基础。