拟南芥ZBP1基因调控镉胁迫响应的分子机理

Our previous studies revealed that Arabidopsis Zinc finger transcription factor ZAT6 directly activates GSH1 transcription to positively regulate cadmium (Cd) resistance. To further explore ZAT6-mediated signaling pathways in response to Cd stress,an unfunctional ZAT6-interacting protein ZBP1 was identified using yeast two-hybrid screenings. Our preliminary studies showed loss-of-function of ZBP1 gene led to enhanced Cd resistance. We postulated that ZBP1 might interact with ZAT6 to regulate Cd resistance by modulating ZAT6-activated GSH1 expression in Arabidopsis. In this work, we will further study the function of ZBP1 in reguting Cd resistance, confirm the interaction of ZBP1 and ZAT6 as well as its effect on ZAT6-activated transcription of the downstream gene GSH1, clarify the ZAT6-mediated signaling pathway, and uncover the molecular mechanisms mediated by ZAT6 in response to Cd stress. These results will provide not only new insights into understanding the mechanisms involved in tolerance of plants to Cd stress but also the novel candidate genes for engineering effeicient plants for phytoremediation of heavy metal-contamined soils.

在前期研究中我们发现拟南芥锌指蛋白转录因子ZAT6通过直接激活GSH1基因的转录来调控植物对镉（Cd）胁迫的耐受性。为进一步阐明ZAT6调控Cd胁迫响应的信号转导途径，我们利用酵母双杂交系统鉴定了一个功能未知的与ZAT6互作蛋白ZBP1。初步研究表明，该基因功能缺失导致植株对Cd胁迫耐受。据此推测：ZBP1可能通过与ZAT6互作来调节ZAT6介导的GSH1基因表达进而控制植物对Cd胁迫的耐受。本项目拟在此基础上进一步探讨ZBP1基因功能，研究ZBP1与ZAT6互作关系及其对下游靶基因GSH1的调控作用，解析其信号转导途径，阐明其调控Cd胁迫响应的分子机理。该研究不仅有助于揭示植物耐受重金属毒害的机理，而且可为利用植物修复技术治理土壤重金属污染提供新的基因资源。

土壤重金属镉污染是全球面临的环境问题。植物修复基因工程是解决土壤镉污染的重要途径之一，而这项工作的关键在于对植物耐受镉毒害及其积累的分子机理的认识以及关键基因的发掘。在前期研究中我们发现拟南芥锌指蛋白转录因子ZAT6通过直接激活GSH1基因的转录来调控植物对镉胁迫的耐受性，为进一步阐明ZAT6调控镉胁迫响应的信号转导通路，我们利用酵母双杂交技术筛选获得了一个功能未知的ZAT6互作蛋白ZBP1。在本研究中我们对ZBP1基因功能及其作用机理进行了系统研究。ZBP1基因编码一个典型的蛋白激酶，qRT-PCR及ProZBP1::GUS转基因株系组织化学染色结果表明，ZBP1基因在营养发育阶段广泛表达。酵母双杂交、免疫共沉淀等方法证实ZBP1与ZAT6间的蛋白互作。从TAIR获得并鉴定了zbp1纯合突变体，镉胁迫耐受性分析表明zbp1-1和zbp1-2突变体均表现出明显的镉胁迫敏感性；构建35S::ZBP1-DP（显性激活）与35S::ZBP1-DN（显性失活）并获得了稳定的转基因株系，镉胁迫耐受性分析发现，35S::ZBP1-DP表现出镉胁迫耐受性而35S::ZBP1-DN呈现出镉胁迫敏感性。进一步分析发现，zbp1突变体镉积累低于野生型对照，而35S::ZBP1-DP镉积累明显高于对照；qRT-PCR分析发现，GSH1等镉胁迫应答基因表达水平与ZBP1基因表达水平紧密关联。ChIP-qPCR及瞬时表达分析证实，ZBP1高/低水平表达能增强/削弱ZAT6与GSH1启动子上游区段的结合能力明显；遗传学分析发现，ZAT6基因突变可将35S::ZBP1-DP转基因株系的镉胁迫耐受性降低到zat6突变体水平，证明ZBP1在镉胁迫应答过程中可能通过ZAT6转录因子行使其调控作用。综上，我们的研究结果首次证实ZBP1基因可能通过蛋白互作调节ZAT6磷酸化水平，进而增强ZAT6与GSH1启动子区段的结合度，从而增强植物对镉的耐受性。该研究不仅揭示了植物耐受镉毒害的新机制，而且为利用植物修复技术治理土壤重金属污染提供了新的基因资源和技术途径。已在Plant Physiology等国际学术期刊上发表自然科学基金青年基金标注的学术论文3篇，申请并获授权发明专利1项；培养研究生4人；主体研究工作正在整理与撰写，预计发表高水平SCI论文1篇。