拟南芥WRKYa-ATLx-IRT1信号通路调控植物镉耐受的分子机制

We previously identified an Arabidopsis ATLx gene encoding a ubiquitin E3 ligase, which is involved in the regulation of cadmium (Cd) accumulation and tolerance in plants. We found that the atlx-1 mutant is Cd sensitive, and exhibits increased Cd content. Preliminary study showed that ATLx may interact with the IRT1 transporter involved in Cd uptake, suggesting that, in response of plants to Cd stress, ATLx may ubiquitinate IRT1 and target it for degradation, which decreases Cd uptake, thereby leading to enhanced Cd tolerance. In addition, we have also screened a transcription factor, WRKYa, which may directly regulate in transcription of ATLx gene, and found that wrkya-1 and wrkya-2 mutants are Cd sensitivity. In this project, we propose to study upstream WRKYa and downstream IRT1 of ATLx in response of plants to Cd stress, and thereby uncover a WRKYa-ATLx-IRT1 signaling pathway and its regulatory mechanism involved in cadmium accumulation and tolerance of plants.

前期鉴定了一个调控植物镉（Cd）积累和耐受的基因ATLx，其编码一个泛素E3连接酶。研究表明，atlx-1突变体对Cd敏感，且其体内Cd积累显著增加。初步研究发现，ATLx与一个涉及Cd吸收相关转运蛋白IRT1互作，暗示在Cd胁迫下ATLx可能通过IRT1的泛素化降解从而降低Cd吸收以增加植株Cd耐受性。此外，还筛选了一个可能直接调控ATLx基因转录的转录因子WRKYa，该基因敲除的突变体wrkya-1和wrkya-2对Cd胁迫敏感。本项目拟研究ATLx基因及其介导的上游和下游信号转导组分，解析其调控植物对Cd积累和耐受的机理，阐明一条植物对Cd胁迫响应的信号通路WRKYa-ATLx-IRT1。

土壤重金属镉污染已成为全球广泛关注的重要问题之一。土壤污染的重金属镉通过食物链传递，最终威胁人类生命健康。因此，挖掘植物对镉胁迫响应基因，分析其调控分子机理，对于提高植物对重金属胁迫的耐受性、降低植物中重金属积累水平以及保障粮食生产安全和食品安全具有重要的理论意义和实践价值。.本研究证实了拟南芥ATL31基因参与了植物对重金属镉胁迫的响应的调节。ATL31基因功能缺失突变体表现出对镉胁迫的高度敏感性，且突变体植株镉积累水平增加，而ATL31基因过表达植株则表现出对镉胁迫更高的耐受性，且过表达植株镉积累水平降低。进一步分析表明，ATL31调控拟南芥对镉胁迫的积累和耐受性不依赖于GSH-PC合成途径；此外，发现ATL31能够与铁离子转运蛋白IRT1发生直接相互作用，且ATL31作为E3泛素连接酶能够使IRT1蛋白泛素化，并通过26S蛋白酶体途径和细胞内吞作用促进IRT1蛋白的降解，进而导致拟南芥镉吸收水平降低，增强拟南芥对镉胁迫的耐受性。遗传分析表明ATL31作用于IRT1的上游；同时，还发现转录因子WRKY33能够直接与ATL31启动子上的W-BOX结合，在镉胁迫下，ATL31基因的转录水平受到WRKY33的调控，进一步的遗传学实验证明WRKY33作为ATL31的上游调控因子参与拟南芥镉响应的调节。.总之，本研究发现了一个新的WRKY33-ATL31-IRT1信号通路在拟南芥响应镉胁迫过程中发挥重要作用。该研究不仅揭示了植物响应重金属镉胁迫调控的新机制，而且为作物遗传改良及低镉积累植物的筛选提供了新的基因资源和技术途径。.已在国际学术期刊上发表基金标注的学术论文7篇，申请发明专利4项，培养研究生19人，待发表SCI论文1－2篇。