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中科院发现三个拟南芥bHLH 转录因子与植物耐Cd有关

2011/12/28 来源:中国科学院
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导读
中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清实验室的研究发现三个拟南芥bHLH 转录因子(FIT、 AtbHLH38 和 AtbHLH39)参与了植物对Cd胁迫的响应。在高Cd胁迫时,这三个基因的表达上调。

中国科学院遗传与发育生物学研究所在植物耐受Cd分子机制研究中取得新进展

镉(Cd)是生物毒性很强的重金属之一。近年来, 由于工业“三废”的排放, 以及大量化肥的施用, 导致土壤Cd污染日益严重。土壤中Cd极易被植物根吸收,转入到地上部和种子中积累。Cd在植物体内的积累不仅影响植物的生长发育, 造成产量和品质下降,更为严重的是通过食品进入人体,影响人类健康。因土壤Cd等重金属离子污染通常是一种面源污染,如何降低植物对Cd的吸收以及控制Cd向可食部位的转移是目前国际上研究植物重金属毒害的热点。

中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清实验室的研究发现三个拟南芥bHLH 转录因子(FIT、 AtbHLH38 和 AtbHLH39)参与了植物对Cd胁迫的响应。在高Cd胁迫时,这三个基因的表达上调。而且双过量表达FIT/AtbHLH38和FIT/AtbHLH39,转基因植株表现出比野生型更耐受Cd的胁迫。分子和生理实验证明双过量表达FIT/AtbHLH38和FIT/AtbHLH39植物提高Cd的耐受性,主要是FIT与AtbHLH38或AtbHLH39的互作,组成性的启动了一些与重金属区隔化的基因(如HMA3,MTP3, IREG2和IRT2)的表达,从而将大量吸收的Cd区隔化在根部,降低了向地上部的转运。同时FIT与AtbHLH38或AtbHLH39的互作还组成性的启动了nicotiananmine(NA)合成酶基因(NAS1和NAS2)的表达,在植物体内催化更多NA合成。因NA是植物体内活化和转运铁的主要螯合物,它的增多可增强Cd胁迫时铁离子向地上部的转运,从而缓解由Cd胁迫引起的植物缺铁并发症。该研究首次系统研究和报道了植物吸收、转运Fe和Cd离子的互作分子机制,研究结果为培育耐Cd农作物新品种提供了新的思路。

该研究结果已于2011年12月20日在线发表于《Plant physiology》。 凌宏清研究组副研究员吴慧兰博士为该论文第一作者,该项研究受国家自然科学基金委、科技部973计划和国际合作项目harvest-plus的资助。


Co-overexpression FIT with AtbHLH38 or AtbHLH39 in Arabidopsis enhanced cadmium tolerance via increased cadmium sequestration in roots and improved iron homeostasis of shoots

Huilan Wu, Chunlin Chen, Juan Du, Hongfei Liu, Yan Cui, Yue Zhang, Yujing He, Junming Li, Zongyun Feng, Yiqing Wang, Chengcai Chu and Honq-Qing Ling

Cadmium (Cd) is toxic to plant cells. Under Cd exposure, the plant displayed leaf chlorosis which is a typical symptom as iron deficiency. Interactions of cadmium with iron have been reported. However, the molecular mechanisms of cadmium-iron interactions are not well understood. Here, we showed that FIT, AtbHLH38 and AtbHLH39, three basic helix-loop-helix transcription factors involved in iron homeostasis in plants, also play important roles in Cd tolerance. The gene expression analysis showed that the expression of FIT, AtbHLH38 and AtbHLH39 was up-regulated in the roots of plants treated with Cd. The plants overexpressing AtbHLH39, double-overexpressing FIT/AtbHLH38 and FIT/AtbHLH39 exhibited more tolerance to Cd exposure than wild type, whereas no Cd tolerance was observed in plants overexpressing either AtbHLH38 or FIT. Further analysis revealed that co-overexpression of FIT with AtbHLH38 or AtbHLH39 constitutively activated the expression of HMA3, MTP3, IRT2 and IREG2, which are involved in the heavy metal detoxification in Arabidopsis. Moreover, co-overexpression of FIT with AtbHLH38 or AtbHLH39 also enhanced the expression of NAS1 and NAS2, resulting in the accumulation of nicotiananamine, a crucial chelator for iron transportation and homeostasis. Finally, we showed that maintaining high iron content in shoot under Cd exposure could alleviate the Cd toxicity. Our results provide a new insight to understand the molecular mechanisms of Cd tolerance in plants.

文献链接:http://www.plantphysiol.org/content/early/2011/12/19/pp.111.190983.abstract?sid=2eb1b76f-38b3-4d44-b02c-2292940414db

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