重金属胁迫下DnaJ蛋白对芦苇耐受性的调控机制研究

Phytoremediation is a kind of potential environmental restoration means with ecological security, which has received widespread attention around the world. However, one of the fundamental reason is that limit the development of the technology is the limited resistant capability of pant to metal phytotoxicity. Research has shown that DnaJ protein may be involved in heavy metal toxicity removing process in plants, but its effect and its mechanism is still lack of in-depth study. This research will select Phragmites australis as the research object, through the analysis of DnaJ protein expression level in Phragmites australis response to heavy metal stress and the metal stress tolerance mechanism of different DnaJ expressed Phragmites australis, including the changes in enzyme activity, key enzymes in transcription level and comparative proteomics. Combining the traditional biology research methods with the introduction of molecular dynamics simulation technique and biology verification experiment, the research will illustrate the effect of DnaJ protein on the resistance of plant to metal stress factors via analysis their structure - function factors of relevance, specific screening and in-depth research. Therefore, the scientifically predict of DnaJ- involved tolerance regulation mechanism of Phragmites australis under heavy metal stress can be made. Given the widespread application of Phragmites australis in artificial wetland construction, the results are significant to the research about phytoremediation of heavy metal polluted environment and the molecular mechanism of the corresponding regulation pathways.

植物修复是一种极具潜力的生态安全的环境修复手段，得到了全世界广泛关注。但是制约其发展的根本原因之一是植物对金属植物毒性的抗性有限。研究表明在DnaJ蛋白能够响应重金属离子胁迫并可能参与了金属对植物毒性的解除，但其影响规律及其作用机制目前仍缺乏深入研究。本研究拟拟将芦苇作为研究对象，通过分析观察DnaJ蛋白在重金属胁迫下芦苇体内的表达水平响应及研究DnaJ蛋白表达差异对芦苇金属胁迫耐受性，包括酶活的变化、关键酶编码基因在转录水平表达差异和蛋白质组的差异，在传统的生物学研究方法中，引入分子动力学模拟技术并结合一定的结构生物学实验验证，对DnaJ蛋白影响抗金属胁迫因子的结构-功能相关性进行筛选并深入研究，从而系统科学地预测DnaJ蛋白在调控芦苇响应金属胁迫的过程中的特异性机制。鉴于芦苇在人工湿地构建中的广泛应用，本研究对于湿生植物修复重金属污染环境的分子机制及调控途径的研究具有重要科学意义。

植物修复是一种极具潜力的生态安全的环境修复手段，但是制约其发展的主要原因之一是植物对金属植物毒性的抗性有限。本研究以构建人工湿地的常见植物芦苇作为研究对象，采用SR-XRF、FTIR及XANES等分析手段对芦苇不同组织及根系分泌物中的铜元素的分布及赋存形态进行解析，FTIR结果表明，铜胁迫下，芦苇根系分泌物中可能存在大量羟基，茎部细胞内酯羰基较少，在低浓度Cu胁迫下并未触及茎部防御机制，叶片部细胞中酯类物质对Cu胁迫较茎部细胞而言更为敏感，率先开启防御机制抵御外界胁迫，XANES分析结果表明，在铜胁迫条件下，铜在植物中主要的赋存形态为柠檬酸结合态，其所占比重由高到低依次为叶片>茎>根系，比例范围为36%-61%。此外，转录组学KEGG通路富集分析结果表明，基因数较多的富集途径包括：“光合作用-天线蛋白”、“核糖体”、“苯丙烷生物合成”、“苯丙氨酸代谢”和“苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸的生物合成”等。差异代谢物参与了氨基酸的生物合成与代谢c、糖类代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成、ABC转运蛋白和光合作用等众多代谢过程，其中以赖氨酸的生物合成代谢通路改变最为明显。本研究共涉及34个与HSP家族相关的DEGs，包括HSP90家族、HSP70家族、HSP60家族、小分子量HSP家族和HSP40家族（DnaJ），内质网的相关降解（ERAD）系统中，HSP90、HSP40、HSP20都显著上调，提升了ERAD系统清除错误折叠蛋白的能力。其中，有20个显著差异基因与ATP结合有关，主要涉及HSP70家族（10），HSP90家族（5），HSP60家族（2）和HSP40家族（3），有2个基因与光合作用（叶绿体、叶绿体基质、叶绿体被膜）有关，主要涉及HSP60家族（1），DnaJ家族（1）。核编码的叶绿体sHSP在氧化胁迫和光抑制下通过保护Photosystem II（PSII）而在光合耐热性中发挥作用。本研究结论为后续强化植物修复效能提供理论依据，鉴于芦苇在人工湿地构建中的广泛应用，本研究结果对于湿生植物修复重金属污染环境的分子机制及调控途径的研究也具有重要科学意义。