杨树在解除镉毒害过程中新靶基因的克隆与功能分析

Cadmium, as a heavy metal, has seriously polluted soil and water, and has posed a serious threat on the ecological environment and human health. Thus, the mechanisms of cadmium toxicity to plants and phytoremediation soil polluted by heavy metal have been drawn on a worldwide attention from human society. However, the precise mechanisms of how can extra-nitrogen alleviate the toxic symptom of plant caused by Cd are remain unknown. The early study showed that adding appropriate nitrogen in nutrient solution can obviously enhance the development of pant and reverse the toxic effect of heavy mental on poplar plants. In order to probe into the mechanism of nitrogen on plant under Cd stress, the materials selected the "107" poplar plants treated with cadmium, cadmium plus extra-nitrogen, respectively to analyze the relationship between nitrogen and poplar to cadmium accumulation. At the same time, to isolate the genes related to cadmium tolerance, the transcriptome sequence (RNA-Seq) will be utilized to detect the different expressional genes, and some positive genes related to cadmium tolerance will be isolated, and part of them will be verified by QRT-PCR and Northern Hybridization,which will lay a basis for understanding the detoxification mechanism of nitrogen to heavy metal stress in plant and further transferring genes. Result in the study is not only expected to enrich the theory of heavy metal biology, but provide a new idea and methodology to enhance the phytoremediation technology for heavy metal pollution. So it is an important scientific meaning and practical value.

镉是造成土壤和水体污染的一种主要重金属，对人类健康和生态系统的危害甚大。镉对植物毒害的作用机制和植物对镉污染土壤的修复是世界重金属生物学研究的热点问题。尽管对此的研究很多，但至今未能找到镉对植物产生毒害的真正原因和机制。为合理解释笔者在实验中发现的在镉胁迫的同时施氮和高浓度镉处理能促进杨树生长的异常现象，本项目拟以欧美"107 "杨无性系为材料进行镉胁迫和外施氮处理，研究N源对杨树积累镉是否存在影响；同时利用转录组测序研究，筛选Cd处理和N+Cd处理差异表达的基因，并通过Real-Time PCR和Northern 杂交验证部分侯选基因并进行功能分析，寻找镉胁迫下杨树对镉解毒过程中新的靶基因，为进一步探讨植物对镉的解毒机制和转抗镉基因奠定基础。研究成果不仅有望丰富和完善现有植物重金属生物学的基础理论，而且能为土壤重金属污染的植物修复提新的思路和方法，因此具有重要的科学意义和实践价值。

镉（Cadmium）是造成土壤和水体污染的一种主要重金属，对人类健康和生态系统的危害甚大。镉对植物毒害的作用机制和植物对镉污染土壤的修复是世界重金属生物学研究的热点问题。尽管对此的研究很多，但至今未能找到镉对植物产生毒害的真正原因和机制。为合理解释笔者在实验中发现的在镉胁迫的同时施氮和高浓度镉处理能促进杨树生长的异常现象，探讨外源氮在植物对镉解毒过程中的重要作用，为土壤重金属污染的植物修复提供新的思路和方法，因此具有重要的科学意义和实践价值。本项目按照项目计划书，课题组完成了以下研究内容：1.以‘川乡1号’杨为材料进行镉胁迫和外施氮处理，研究镉胁迫下增施外源氮对杨树植株生长和对镉吸收、积累的影响，结果表明：镉胁迫下增施氮显著促进杨树植株的生长，提高杨树植株对Cd的吸收和积累。2利用透射电镜对镉处理下增施氮对杨树叶绿体超微结构的影响进行研究。结果表明：单独的镉胁迫处理叶绿体结构遭到破坏，镉胁迫下增施氮处理叶绿体没有明显损伤，膜结构保持完整。3利用转录组测序研究，筛选到Cd处理和N+Cd处理差异表达基因（DEGs）2738个。同时利用KEGG对差异表达基因进一步进行功能分析，从中筛选出氮素诱导的对镉解毒的关键候选差异表达基因8个。其中3个DEGs（Potri.006G024200, Potri.010G61100, Potri.T178900）参与谷胱甘肽（GSH）解毒途径；2个DEGs诱导半胱氨酸的合成；1个DEG （Potri.002G02450）参与甘氨酸的合成，而半胱氨酸和甘氨酸都是是合成谷胱甘肽和植物螯合肽（PCs）的前体物质。另外2个DEGs分别参油菜素内酯和水杨酸的合成。4同时利用荧光定量qPCR和生物信息学方法对部分候选基因进一步进行功能分析发现，谷胱甘肽转移酶（GST）在解毒过程中起关键作用。5 上述研究表明：外源氮诱导植物对镉解毒的机理主要是2个方面：（1）诱导抗逆信号物质（如油菜素内酯和水杨酸）的合成，提高植物体内抗氧化物酶活性，清除植物体内镉胁迫产生的活性氧，从而提高植物对镉的耐受性；另一方面，诱导谷胱甘肽（GSH）和植物螯合肽(PCs)合成中关键基因的上调表达，促进GSH和PC的合成,提高对重金属镉的螯合而达到解毒的目的。