转录因子GT-2 LIKE 1（GTL1）调节植物镉耐受的机制研究

Cadmium is a toxic non-essential element that can induce multiple cell damage. The response mechanism to exclude, detoxify, or compartmentalize cadmium plays a central role in plant survival under cadmium exposure, and the transcriptional regulation of heavy metal detoxify gene have a great effect on cadmium response. Arabidopsis GTL1 is a transcriptional repressor that regulates plant development and abiotic stress response. Here, we found that GTL1 loss-of-function mutant exhibited cadmium tolerant phenotype, but the mechanism remains unknown. Meanwhile, published data also demonstrated that the promoters of two metal binding associated gene HIPP06 and At2g22690 that showed up-regulated expression in GTL1 loss-of-function mutant under cadmium exposure, might be directly bind by GTL1. These results indicate that GTL1 modulates plant cadmium resistance, probably through the direct regulation of these genes. In this subject, the physiological mechanism of GTL1 mutant and over-expression plants response to cadmium stress will be elucidated. Moreover, GTL1 target genes that are associated with heavy metal detoxify will be screened and verified via high-throughput sequencing, bioinformatics analysis and molecular genetics experiments, and that will illuminate the physiological and molecular mechanism of GTL1 on controlling plant cadmium resistance. Our findings will not only improve the theoretical basis of plant response to cadmium stress, but also give insight into screening and improvement of cadmium resistant hyperaccumulators.

镉是具有生物毒性的重金属元素。对镉的响应机制，如对镉的外排、钝化、区隔等，是植物能够在镉胁迫下存活的重要保证，而转录因子对该过程的调节发挥重要作用。拟南芥GTL1是一个调节植物发育和非生物胁迫应答的转录抑制因子，我们前期的研究首次发现GTL1突变体表现出对镉胁迫耐受的表型，但具体机制未知。GTL1突变体中金属结合基因HIPP06（重金属解毒相关）和At2g22690的表达上调，且芯片数据显示它们的启动子能够与GTL1结合，这暗示GTL1可能通过调节重金属结合/解毒相关基因的表达来影响植物的镉胁迫耐受性。本研究拟分析GTL1突变体和过表达植株在镉胁迫下的表型，并通过生物信息学和高通量测序的方法分析野生型和GTL1突变体中差异表达的重金属解毒相关基因，筛选GTL1潜在靶基因并以分子遗传学方法加以验证，从而阐明GTL1调节植物镉耐受性的生理和分子机制，为选育和基因改造镉抗性超积累植物提供新思路。

土壤重金属污染是当前公认的全球性环境问题。2014 年国家环保部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤镉污染为所有重金属元素污染之最。作为具有细胞毒性的非必需重金属元素，镉可以通过非特异性的金属转运体进入植物细胞内，诱发多种细胞损伤。在响应镉胁迫的过程中，许多植物的基因表达谱都会发生明显变化，尤其是重金属解毒相关基因。. Trihelix转录因子家族是植物特有的一类转录因子，他们参与调节植物生长发育及对外界胁迫的应答。GTL1是该转录因子家族中GT-2亚家族成员，它具有转录抑制活性，通过直接结合靶基因启动子区的 GT3 box顺式作用元件来转录抑制靶基因的表达。截至到本项目前还没有关于GTL1参与植物响应重金属胁迫的相关报道。. 我们前期观测到GTL1参与调节植株的镉耐受，但具体机制未知。本研究以GTL1功能缺失突变体、GTL1过表达转基因植株、金属解毒相关基因HIPP06突变体为研究材料，解析了GTL1调节植株镉积累的机制。研究发现在低镉胁迫下，GTL1的功能缺失导致植株镉积累下降；AtGTL1在根中受镉胁迫下调表达，它能够通过其转录抑制活性降低AtHIPP06的表达；而AtHIPP06表达量的升高降低了植株的镉积累水平。. 本项目的研究结果初步阐明了GTL1调节植物对重金属镉胁迫耐受性的机制，丰富人们对Trihelix转录因子生物学功能的认识，丰富了植物对重金属胁迫响应的理论基础。考虑到当前重金属污染土壤的治理与安全利用是国内外研究的热点与难点，且减少GTL1基因的表达量不会显著影响植株在正常条件下的生长，同时能够降低重金属镉的积累，因此该基因可以作为低镉植物开发的潜在基因工程靶点。