基于转录组测序研究的东南景天SaHMA3基因在镉解毒中的作用

Comparatively numerous researches had been done to study the physiology mechanisms of Cd tolerance and hyperaccumulation in Sedum alfredii-a chinese native Cd/Zn hyperaccumulator. However, the molecular mechanisms of Cd tolerance and hyperaccumulation are almost blank. Here, RNA-Seq technology will be used to obtain the sequence information of transcripts, to construct the metabolic passway of the Cd detoxification and to analysis the molecular mechanism of Cd tolerance in Sedum alfredii. Then a Cd tolerance related gene SaHMA3 will be cloned by homologous cloning combining the analysis of the transcriptome sequences.The function of this gene will be studied by multi-descipline technologies, such as RT-PCR, yeast heterologous expression, GFP fusion expression, immumohistology and overexpression as well as Cd fluorescent probe, SEM-EDXMA, ICP-MS analysis, etc.The aim of the research is to understand the molecular mechanism of Cd tolerance in Sedum alfredii, and to provide theoretical foundation for breeding new plants tolerant to Cd pollution, thus to lay the foundation for further in-depth study of the molecular mechanism of Cd hyperaccumulation in Sedum alfredii. The success of this research will be good for decreasing Cd pollution of envrionment and ensuring food safety, the sustainable development of agriculture and ecosystem health.

关于镉超积累植物东南景天镉积累及解毒的作用机制虽然已有大量生理的研究，但是对其分子机制的研究还是空白。本项目在前期大量研究的基础上，拟通过转录组学测序获取东南景天转录组序列信息，构建东南景天镉解毒的代谢通路，系统性的分析东南景天镉解毒机理，并结合转录组测序结果及同源克隆手段来克隆镉解毒相关基因（SaHMA3），并综合利用RT-PCR、GFP融合表达、酵母功能互补、Immunohistology、基因过量表达等分子生物学手段及镉荧光探针、SEM-EDXMA、ICP-MS分析等植物生理学研究手段研究该基因的功能及其在东南景天镉解毒过程中的作用。研究结果可以为东南景天镉解毒的相关机制的研究提供理论依据，为挖掘植物镉超积累过程相关关键基因，创造出更适合于植物修复应用的新型超积累植物提供技术支持，这对于植物修复技术的推广发展，修复土壤重金属污染，保障生态环境和农产品安全都具重要意义。

超积累植物东南景天镉积累作用机制虽有较多生理研究，但是其分子机制仍不清楚。本项目通过转录组测序获取东南景天转录组序列信息，分析其遗传进化过程, 并进一步研究SaHMA3、SaHMA2、SaCAX2和SaMT2的基因功能，系统探明东南景天镉解毒机理。结果表明,超积累东南景天地上部转录组序列从细胞组分可以分为细胞内空间，细胞质，膜系统，细胞核，细胞外空间，外部结构，染色体，细胞表面。从生理过程主要涉及到物质代谢，尤其是生物大分子的代谢、合成，细胞核内的代谢，生理过程代谢。从分子功能主要涉及结合，催化，蛋白结合，转移，水解，核酸结合，激酶，氧化还原，转运，转录调节，信号传导。利用比较转录组的方法，证明超积累东南景天的遗传进化主要涉及转录和翻译、蛋白代谢、钙离子途径、胁迫响应和信号转导等过程，分化直系同源基因主要富集在植物与病原菌的相互作用、植物荷尔蒙信号转导和mRNA监测通路上。.研究证明超积累东南景天SaHMA3定位于液泡膜上，特定转运镉，其拷贝数非超积累景天的四倍，表达量组成型地高于SaHMA3n。转基因研究表明SaHMA3h显著增加镉耐性与镉积累量，增强根部镉区隔。然而,超积累东南景天SaHMA2定位于细胞膜，对锌吸收量与对镉耐性均提高，转基因研究证明SaHMA2h显著提高地上部镉与锌含量。SaCAX2定位于液泡膜上，异源表达SaCAX2的酵母镉含量增加，转基因烟草过表达SaCAX2显著提高镉含量。SaMT2地上部的表达量显著高于根部，并受镉诱导，酵母异源表达SaMT2增加镉含量与镉耐性，转基因烟草过表达SaMT2显著提高镉含量。表明这些基因也是东南景天镉吸收及镉解毒的关键基因。.本项目研究结果丰富了东南景天镉超积累机理理论，为挖掘植物镉超积累关键基因，创造出新型高效修复植物提供科技支撑。.