新的植物MTF因子介导硒诱导小白菜氧化损伤的分子机理

The abuse of selenium (Se) fertilizers and the anthropogenic release of Se from coal burning have been leading to the over-accumulation of Se in agricultural environment. This emerging metal pollution makes potential threat to the growth of vegetables. The current investigation on Se-induced phytotoxicity has been limited to the description of Se-induced oxidative injury in planta. However, the detailed molecular mechanism of how heavy metals (including Se) cause reactive oxygen species (ROS) burst is poorly understood. Our previous study has suggested that Se could induce ROS burst by regulating RBOH in the root of Brassica rapa. In order to explore the molecular mechanism for the regulation of Rboh gene expression by Se stress, this project will attend to several important studies. (1) Identifying MREs (designated as Rboh-MREs) from the promoters of Rbohs regulated by Se; Analyzing the responses of Rboh-MREs under Se stress. (2) Cloning the first plant MTF-like gene (designated as BrMTF-1) coding for transcription factor with specific recognition of MREs in B. rapa; Analyzing the correlation between the expression of BrMTF-1 and ROS burst under Se stress. (3) By in vitro expression of BrMTF-1 and the construction of transgenic plants with down-expressed BrMTF-1, characterizing the physiological function of BrMTF-1/Rboh-MREs in inducing ROS burst by modulating the expression of Rbohs. This project would not only help us understand the molecular mechanism of Se-induced oxidative injury in plants, but also provide scientific basis for the safe production of vegetables in Se-contaminated environment.

硒肥滥加及大量燃煤大气硒排放，已导致硒过量累积，这一新兴重金属污染已成为蔬菜安全生产的新威胁。目前植物硒毒害研究多限于氧化损伤的表象探讨，且硒诱导植物活性氧爆发的分子机理尚不明晰。我们前期工作发现硒胁迫能通过RBOH诱导小白菜活性氧爆发，为了进一步深入探讨Se对Rbohs基因的调控机理，拟通过完成以下工作：（1）分析受硒诱导表达的Rbohs基因上游启动子区域中的MREs（命名为Rboh-MREs）对硒胁迫的响应；（2）克隆植物中首个特异性识别MRE的转录因子基因MTF-like（命名为BrMTF-1），分析表达与硒胁迫和活性氧爆发的相关性；（3）通过BrMTF-1体外表达检测和构建其抑制表达的转基因植株体内验证，明确BrMTF-1/Rboh-MREs系统通过调控Rbohs表达进而诱导活性氧爆发的生理功能。从而有助于揭示硒胁迫诱导植物氧化损伤的分子机理，为硒胁迫下蔬菜的安全生产提供科学依据。

硒是农作物生长必须的一种功能性营养元素，施用富硒肥来提高农作物中的硒含量已成为广泛使用的农事操作之一，但硒肥滥用已导致我国乃至世界范围内农业环境中硒的过量累积。另外，加之我国大量的燃煤导致的大气硒排放，硒污染已成为一种新兴的重金属污染，并对农作物生长产生毒性作用，所以明确农作物对硒胁迫的响应机理对于耐硒作物的培育非常关键。通过本次研究我们完成了以下工作：（1）硒毒害诱导不结球白菜吸收过量的硒元素造成氧化损伤，影响植物的自生代谢；（2）NO 介导硒诱导不结球白菜 ROS 的爆发，利用 NO 产生的限速酶（硝酸还原酶、一氧化氮合酶）和 ROS产生限速酶 NADPH 氧化酶处理不结球白菜根系，分析NO与ROS间的调控关系，我们发现：Na2SeO3 诱导下 NO 的积累速度快于 ROS，且 NO 和 ROS 的积累与 Na2SeO3 对根的生长抑制程度呈正相关，通过 NO 产生的抑制剂和清除剂降低内源 NO 含量，能够进一步抑制 Na2SeO3 胁迫导致编码 NADPH 氧化酶的 Br_Rbohs 基因表达上调和根尖 ROS 积累，进而减缓 Na2SeO3 胁迫导致的氧化损伤和生长抑制作用； （3）克隆了不结球白菜体内 4 个特异性识别 MRE 的转录因子基因 MTF-like (命名为BrMTF-1),并对其进行生物信息学的分析；（4）BrMTF-1 体外表达载体的构建；（5）H2S 介导硒诱导不结球白菜 ROS 的爆发，外源加入 H2S 供体 NaHS 可以显著增加内源 H2S 含量，从而缓解Na2SeO3导致的ROS的过量累积、氧化损伤以及根尖细胞的死亡，进一步促进 Na2SeO3 胁迫处理后根伸长，但是抑制内源 H2S 会阻碍 NaHS 缓解Na2SeO3导致的植物毒性。 整个研究揭示了硒胁迫诱导植物氧化损伤的分子机理，为硒胁迫下蔬菜的安全生产提供科学依据。