大豆根系中应答重金属Cd胁迫的基因表达模式的研究

The soybean is an important crop in wild. Environmental pollution is one of the major problems for human health. Toxic heavy metals are normally present as soil constituents or can also be spread out in the environment by agricultural and industry activity. Soil contamination by heavy metals as cadmium (Cd), highlights two main aspects: on one side they interfere with the life cycle of plants and therefore reduce crop yields, and on the other hand, once adsorbed and accumulated into the plant tissues through plant , and then enter the food chain poisoning animals and humans. In this study, we focus on the main symptoms of cadmium toxicity on soybean root,analysis of expression profiles of functional genes and isolate the genes that involved in response of cadmium stress and understanding the molecular mechanism of which genes as well as we elucidate the mechanisms that plants activate to prevent absorption or to detoxify toxic metal ions. Finally, we applied which genes or the mechanism to development a plants that is able to recover contaminated soils of heavy metals, which can be used for phytoremediation, or identify crop varieties that do not accumulate toxic metal in grains or fruits.

大豆是重要的粮食和油料作物。含重金属肥料的大量使用，重金属已经成为造成土壤污染的祸首，镉是污染最严重的重金属之一。土壤中的镉会被植物吸收，并在其体内积累，从而影响植物的生长和产量，最终通过食物链进入人体，影响人类的健康。植物主要通过根系从土壤中吸收重金属和营养元素，但目前植物根系对重金属胁迫响应的分子调控机制理解的甚少。本项目把大豆根系作为研究材料，以镉作为污染源，结合RNA测序、RT-PCR等分子生物学技术，系统地分析大豆根系对重金属胁迫的基因水平上的应答过程，克隆响应重金属胁迫的一些关键基因，通过其基因在胁迫应答中的功能研究，阐明植物对重金属和营养元素吸收、转运的生理和分子调控机理，将有助于通过转基因技术改良作物的重金属抗性和耐瘠性，进行大规模污染土壤的修复，培育重金属污染区域或贫瘠条件下的稳产、高产优良作物育种提供一条新的思路。

大豆是重要的粮食和油料作物。含重金属肥料的大量使用，重金属已经成为造成土壤污染的祸首，镉是污染最严重的重金属之一。土壤中的镉会被植物吸收，并在其体内积累，从而影响植物的生长和产量，最终通过食物链进入人体，影响人类的健康。植物主要通过根系从土壤中吸收重金属和营养元素，但目前植物根系对重金属胁迫响应的分子调控机制理解的甚少。本项目把把发芽７ｄ 的大豆苗在75μmol/ＬCd浓度中处理0、4、8、12和48ｈ，然后取根进行转录组表达分析．共得到2670个表达差异基因，其中4、8、12和48ｈ 处理组中分别有244、1545、442和1401个基因显示了表达差异．这些基因通过GO分类，可分为56类；采用COG 数据库进行比对，根据其功能大致可分为25类．KEGG 通路富集分析表明，差异表达基因主要富集在苯丙氨酸代谢、泛醌和其他萜类醌生物合成，以及半胱氨酸和甲硫氨酸代谢等通路中。.在大豆经Cd胁迫后各组织中5个Nramp基因的RT-PCR结果表明，Nramp1、5基因的表达水平在Cd处理两天后明显下降。推测这是大豆对于镉毒性响应的一种方式，下调Nramp1、5基因的表达，减少Nramp蛋白的生物合成，从而减少对Cd的吸收。之后的经Cd胁迫的大豆根转录组测序结果也佐证了Nramp基因的功能猜想。根据克隆得到的5个Nramp基因序列，本研究进一步克隆了基因序列上游3000 bp长度的启动子序列，并构建了稳定的35sPro::Nramp（n）::GFP过表达载体、GmNramp(n)Pro::Gus表达载体以及GmNramp基因的RNAi表达载体。.为进一步验证大豆GmNramp基因功能，将35sPro::Nramp（n）::GFP过表达载体转入龙葵以进行地上部分的研究。而龙葵转化阳性植株种植在含有丰富金属离子的全营养黑土中以自来水浇灌时出现植株矮小，叶片发黄坏死和落果等性状，这是受金属胁迫的典型表现。在将阳性植株转移至普通黄土中栽培，以蒸馏水浇灌时，将金属离子的影响尽量降低之后，这些性状得以改善。这一结果证明了大豆Nramp蛋白在金属转运吸收方面起着重要作用。这将有助于通过转基因技术改良作物的重金属抗性和耐瘠性，进行大规模污染土壤的修复，培育重金属污染区域或贫瘠条件下的稳产、高产优良作物育种提供一条新的思路。