PtrDTX1在杨树体内运输重金属镉过程中的作用机制研究

Cadmium (Cd) is one of the most rigorous soil heavy metal contamination for the agriculture and forest of China. Plant growth is serious affected under Cd contamination soils. Populous is a fast-growing woody plant and has great potential to be an important Cd hyperaccumulator. However, the Cd uptake and translocation mechanism remains unclear. Therefore, the present project proposed to characterize the function of putative DTX1 during the Cd uptake and translocation in populus. It’s known that DTX protein family in herbaceous is mainly characterized as a key family involved in response to abiotic stress, such as Aluminum toxicity, plant fungi. However, the function of DTX in response to Cd toxicity is still unknown. In the previous study, we found that PtrDTX1 may be able to transport Cd across yeast vacuole and the expression level of PtrDTX1 was significantly up-regulated under Cd stress condition. Therefore, our present proposal hope to clarify the function of PtrDTX1 for Cd transport in populus by subcellular location analysis, tissue expression analysis, mutant phenotype analysis, Cd transport function analysis etc. And the up-stream transcription factors for PtrDTX1 promoter would be screened and verified. With the above experiments, we hope finally clarify the function of PtrDTX1 and the related regulation model involved in Cd uptake and translocation in populus.

镉元素是我国农林土壤最严重的重金属污染源。杨树是极具潜力的土壤镉修复植物，但杨树中镉的运输机制尚未清晰，这成为限制镉超累积杨树品种选育的瓶颈。草本植物中DTX家族是一类在植物响应非生物胁迫方面具有重要作用的蛋白家族，但是DTX家族成员参与植物响应镉毒害的机制尚不清楚。申请人前期研究发现毛果杨中PtrDTX1蛋白在拟南芥中过表达可以增强其对镉的毒害应答，而PtrDTX1在酵母细胞中具有运输镉的功能。在此基础上，该项目拟通过针对PtrDTX1的亚细胞定位、组织表达分析、突变体的镉累积特征分析和镉电生理运输功能实验，以及PtrDTX1的上游转录因子筛选与调控机制验证研究等，阐明PtrDTX1在杨树体内向地上部运输镉的分子机制，建立其转录调控模型，为解析DTX家族在运输镉过程中的作用提供分子证据，为将来选育镉超富集杨树品种提供重要依据。

镉元素是我国农林土壤最严重的重金属污染源。杨树是极具潜力的土壤镉修复植物，但杨树中镉的运输机制尚未清晰，这成为限制镉超累积杨树品种选育的瓶颈。草本植物中DTX家族是一类在植物响应非生物胁迫方面具有重要作用的蛋白家族，但是DTX家族成员参与植物响应镉毒害的机制尚不清楚。课题组前期研究发现杨树中PtrDTX蛋白可能也参与了Cd的胁迫响应。在此基础上，该项目分别通过筛选确认DTX家族响应Cd胁迫的表达谱分析、DTXs的亚细胞定位、组织表达分析、突变体的镉累积特征分析和镉运输功能实验，以及杨树中DTX和经济作物油菜中DTX在耐Cd胁迫方面的比较等，阐明DTX家族分别在杨树和油菜中运输镉的分子机制，为解析DTX家族在运输镉过程中的作用提供分子证据，为将来筛选镉超富集木本植物提供重要依据。研究结果表明，杨树中DTX62（原名DTX1）和DTX67分别定位在地上部和根部的两个膜蛋白。通过酵母异源表达分析，发现两个蛋白都具有运输Cd离子的功能。通过将其分别转化到拟南芥、杨树和油菜，并检测转基因植株在Cd胁迫下的Cd积累量发现，DTX62和DTX67均能够缓解植株对Cd毒害的响应。研究结果表明，杨树中DTX62和DTX67都具有运输Cd的功能，其对于杨树缓解Cd毒害具有重要作用; 为了进一步比较木本植物和草本植物的DTX家族成员在响应Cd毒害方面的差异，我们又进一步筛选并分析了DTX家族成员在油菜响应Cd毒害的作用。相比之下，油菜中也具有负责Cd运输相关的功能蛋白，命名为DTX136，其与DTX62和DTX67不在同一个亚家族；DTX136是主要定位在根尖的膜蛋白，酵母功能实验和转基因表型分析发现，DTX136可以显著提高油菜抵御Cd的胁迫。当把杨树中的DTX62和DTX67分别转化到油菜中后，初步结果表明，DTX136, 相比杨树中的DTX62和DTX67，具有更强的缓解Cd毒害的能力。受到过去三年疫情因素影响，更深入的验证实验还在进行中，将于近期全部完成。相关工作的完成，首次发现了DTX家族成员具有运输Cd离子的功能，也将为筛选Cd超积累的木本植物、缓解Cd毒害的作物等都具有重要的应用价值。