转运蛋白SaPCT在超积累植物富集镉过程中的功能研究

Heavy metal pollution is a national serious environmental problem. Phytochelatins (PCs), synthesized from glutathione by phytochelatin synthase, are necessary to detoxify heavy metals in plants. It has been established that PCs can work as the main ligands to mediate heavy metal sequestration in vacuoles and long-distance transport in plants. However, the plasma membrane transporters for PCs remain unknown up to now. In previous studies, SaPCT was screened as a new transporter for phytochelatins, and was supposed to play important roles in cadmium hyperaccumulation in hyperaccumulator Sedum alfredii. In the current proposal, the function of SaPCT will be investigated in S. alfredii. Firstly, analyze the kinetics of PC transport by SaPCT, and identify the specific amino acids for SaPCT to transport PCs. Secondly, study the tissue expression and subcellular localization of SaPCT, and screen the transcription factors in regulating expression of of SaPCT. Thirdly, analyze the phynotypes of RNAi and grafted S. alfredii in response to cadmium stress. This project will elucidate the fucntions of SaPCT in S. alfredii during cadmium hyperaccumulation, and can go towards the engineering plants for developing phytoremediation to clean heavy metal polluted sites.

我国环境重金属污染形势严峻，危害深远。植物螯合肽（PCs）是解除植物重金属毒害的重要有机生物分子，可作为配体参与重金属向液泡内转运，以及重金属在植物体内的长距离运输，但调控PCs进出细胞的转运蛋白迄今尚未发现。申请人前期在东南景天中克隆到一个潜在的质膜PCs转运蛋白基因SaPCT，发现该基因可能对超富集镉具有重要作用。本项目拟在此基础上，研究SaPCT转运PCs的动力学特性，鉴定SaPCT转运PCs的功能基团，揭示SaPCT转运底物的生化特征；研究SaPCT基因表达的组织特异性和蛋白亚细胞定位，筛选其转录因子，揭示SaPCT基因的表达与转录调控规律；进一步分析SaPCT基因的RNA干扰植株和嫁接植株富集镉的表型，阐明SaPCT在植株体内的功能。本研究有助于揭示SaPCT基因在东南景天超富集镉过程中的作用，为植物遗传改良提供基因资源和理论借鉴，以服务于环境重金属污染的治理。

当前环境重金属污染形势严峻，危害深远。研究植物耐受和富集重金属的机理，有助于发展植物修复技术，治理环境重金属污染问题。在国家自然科学基金的资助下，按照计划，该项目深入研究了镉在植物中的转运及脱毒害机制。筛选并克隆了东南景天的SaPCT基因，SaPCT基因和拟南芥的AtOPT4基因有较高的同源性，其编码蛋白的氨基酸序列相似性达到80%，故可将SaPCT命名为SaOPT4。OPT4定位于细胞质膜，可向细胞内转运谷胱甘肽和植物螯合肽，同时也可向细胞外转运重金属镉。在重金属胁迫下，OPT4基因在东南景天叶片中的表达降低，而在根和茎中的表达几乎不受影响。在突变体中的进一步研究表明，OPT4基因在拟南芥荚果中的表达受到镉的抑制，其突变可显著降低荚果中镉的积累。OPT4基因在东南景天和拟南芥中可能具有相似的功能，通过降低基因表达的方式，降低重金属镉进入植物光合器官叶片和生殖器官荚果。此外，诱导了积累型和非耐受型东南景天的悬浮细胞，发现积累型东南景天悬浮细胞具有外排镉的特性，而非耐受型东南景天悬浮细胞不具有这个特征。通过转录组和荧光定量PCR分析，发现镉外排转运蛋白SaHMA2，而不是SaHMA4，在积累型东南景天悬浮细胞和根茎叶中的表达均显著高于非耐受型东南景天，对镉在积累型东南景天植株体内的高效转运具有重要功能。运用蛋白质组学比较了积累型和非耐受东南景天叶片在应答镉胁迫过程中的差异蛋白质，发现POE和nsLTP可能参与细胞膜/细胞壁结构修饰过程，从而促进镉在植物体内的高效转运。该项目的研究结果目前分别在国际植物学主流期刊Molecular Plant, FEBS letter和Plant Biotechnology Report各发表1篇研究论文，这为培育低重金属富集作物的遗传改良具有重要的借鉴意义，也促进了人们对植物超富集重金属独特机制的认识。