拟南芥AtPDF2.5调控重金属镉定向分配和耐受分子机理

Pollution by heavy metals limits the area of land available for cultivation of food crops. A potential solution to this problem might lie in the molecular breeding of food crops for phytoremediation that accumulate toxic metals in straw while producing safe and nutritious grains.In order to achieve this goal, it is crucial to find the genes that not only regulate Cd allocation but also significantly enhance the tolerance of Cd. To this end, we found that an Arabidopsis thaliana defensin gene AtPDF2.5 heterologous expression can significantly enhance the tolerance of Cd and decreased the content of Cd in yeast. Further study indicate that AtPDF2.5 is mainly expressed in vascular tissue, and the subcellular is located in the apoplast. Later we want to conform its cellar localization by confocal observation of situ fluorescence, through physiological and biochemical methods, identify the phenotype of AtPDF2.5mutant and overexpression lines, to clarify the mechanism of AtPDF2.5 in regulating Cd allocation and tolerance in Arabidopsis thaliana. Finally, it provides theoretical basis for production practice.

目前我国镉(Cd)污染土壤严重，由于人均耕地较少，镉污染土壤仍用于种植粮食作物，导致Cd大米事件多发，危害人类健康。因此，培育经济食用部位重金属安全而非经济食用部位重金属积累的修复型作物，是解决重金属污染的有效策略。为了达到这一目标，找到植物中不仅能定向调控Cd分配，还能显著增强Cd耐受的基因非常关键。为此，我们通过酵母遗传互补的方法发现：拟南芥植物防御素AtPDF2.5异源表达能显著增强酵母对Cd的抗性，并降低了酵母中Cd的含量。进一步研究表明该基因主要在维管组织表达，亚细胞定位于质外体。后期我们想通过原位荧光观察进一步确定候选基因的表达部位，利用生理生化方法，鉴定其突变体和过量表达株系Cd相关表型，阐明AtPDF2.5在调控重金属Cd分配和耐受中的作用机理。最终为生产实践提供理论基础。

目前湖南部分农田镉(Cd)污染超标，导致Cd大米事件多发，危害人类健康。因此，培育经济食用部位镉地积累而非经济食用部位镉高积累的修复型作物，是解决重金属镉污染的有效策略。本项目主要研究了植物防御素AtPDF2.5调控拟南芥镉耐受和积累的分子机制。体外实验表明AtPDF2.5异源表达能显著增强酵母对镉的抗性，并降低了酵母中的镉含量。重金属结合实验表明每分子的AtPDF2.5蛋白能结合两分子的镉，定点突变实验表明任意半胱氨酸的突变显著降低了AtPDF2.5对于镉的耐受和螯合能力。GUS组化分析表明AtPDF2.5主要在根中维管组织表达，并且在蛋白水平响应镉胁迫。亚细胞定位分析表明其主要定位于质外体细胞壁。体内实验表明AtPDF2.5过表达显著增强了拟南芥对镉抗性和积累，异源过表达增加了水稻中镉的积累。AtPDF2.5的突变显著降低了拟南芥对镉的抗性和积累。更进一步的生理实验表明AtPDF2.5促进了原生质体镉的外排，并增加了地上部细胞壁中的镉含量。上述结果表明AtPDF2.5可能通过螯合细胞质的镉并介导其外排，促进镉在质外体积累，正调控植物对镉的解毒和积累。本项目研究结果发表在本领域著名期刊Plant Cell and Environment 杂志，丰富了植物镉的耐受积累的分子机制，AtPDF2.5为培育镉耐受和具有修复潜力的作物提供了分子工具。