生物通报道：来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员发表了题为“Co-overexpression FIT with AtbHLH38 or AtbHLH39 in Arabidopsis enhanced cadmium tolerance via increased cadmium sequestration in roots and improved iron homeostasis of shoots”的文章，发现了拟南芥三个关键转录因子参与了植物对Cd胁迫的响应，这将有助于解析植物耐重金属镉胁迫的分子机制，相关成果公布在植物学最古老，最权威的期刊之一：Plant Physiology杂志上。

领导这一研究的是遗传与发育生物学研究所凌宏清研究员，论文第一作者为凌宏清研究组副研究员吴慧兰博士，这项研究受到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。

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。

在这篇文章中，研究人员发现三个拟南芥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，组成性地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的互作还组成性地启动了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。由于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思路。

原文摘要：

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. Co-overexpression FIT with AtbHLH38 or AtbHLH39 in Arabidopsis enhanced cadmium tolerance via increased cadmium sequestration in roots and improved iron homeostasis of shoots. Plant Physiology DOI:10.1104/pp.111.190983

Abstract

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.

作者简介：

凌宏清 男，博士，研究员，博士生导师。

植物细胞与染色体工程国家重点实验室主任。

1982年获四川农业大学农学院学士, 1988年获德国基尔市Christian-Albrechts大学农学院农学硕士学位, 1993年获德国基尔市 Christian-Albrechts大学理学院理学博士。1993年2月至1998年4月，联邦德国植物遗传与栽培作物研究所从事博士后研究，1998年5月至2001年7月，瑞士苏黎市大学植物生物学所研究助理，从事小麦抗病基因的克隆。2000年入选中国科学院国外引进杰出人才"****"。2001年回国，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员，课题组长。2002年获"国家杰出青年基金"资助。2004年入选国家7部委（人事部、科学技术部、教育部、财政部、国家发展和改革委员会、国家自然科学基金委员会、中国科学技术协会）"新世纪百千万人才工程"国家级人选。2006年获政府特殊津贴。

凌宏清博士领导的研究组的研究方向是植物营养分子生物学和麦类作物分子遗传学。主要研究内容：

1. 植物营养分子生物学
植物营养分子生物学是近年来在植物营养学基础上发展起来的一门新型学科，拟在分子水平上揭示植物吸收、转运、同化与代谢各种营养元素的分子机制。为培育养分高效型农作物新品种提供理论依据和基因资源，对减少农业生产中的化肥投入，降低农产品成本，保护自然资源和减少环境污染具有重要理论和社会意义。本课题组主要开展植物磷、铁营养分子生物学研究；分离与磷、铁吸收代谢相关的基因，揭示其在控制磷铁吸收、转运与代谢中的生物学功能以及它们之间的网络调控关系。

植物高效吸收利用铁的分子调控机制：由于铁离子具有活跃的三价与二价的价态变化，是细胞内氧化还原反应所必需的组分，在细胞呼吸、光合作用和金属蛋白的催化反应过程中发挥重要作用，是重要的电子传递体。因此，铁在原核和真核生物的生命活动中具有不可替代的功能。尽管铁在地壳中的含量丰富，但因主要以Fe3+的形式存在，在中性和碱性土壤中的溶解度极低，不能被直接吸收利用，从而引起许多生物的生存受到铁匮乏胁迫。植物缺铁会导致叶绿素合成减少，光合速率降低，严重缺铁时叶绿素合成停止，新叶变黄，生物量大幅度下降。农作物缺铁不仅影响产量和品质，造成经济损失，而且也影响人类对铁的获取，导致缺铁性疾病的发生，如Wilson、Pakinson、Menken、贫血病（anemia）等。本课题组利用模式植物拟南芥和番茄为材料，研究“机理 I“型植物（所有双子叶植物和非禾本科单子叶植物）的铁高效吸收利用分子调控机制。从番茄和拟南芥中鉴定和分离了控制铁吸收的调控基因（FER，FIT，AtbHLH38和AtbHLH39）、参与铁吸收的基因（LeFRO1，AtFROs）及铁利用基因（CHLN）等。证明番茄FER以及它在拟南芥中的同源基因FIT是控制“机理I”植物铁高效吸收的关键调控基因，在细胞内它与AtbHLH38或AtbHLH39互作，形成异源二聚体直接调控铁吸收基因IRT1和FRO2的转录，从而控制铁的吸收。目前正在对这些已分离调控基因的其他生物学功能及调控的网络关系进行深入分析，同时利用正向和反向遗传学方法鉴定和分离更多参与铁吸收、转运和利用新基因，揭示其“机理I“植物高效吸收利用铁的分子机理。

植物磷高效的分子机制研究：磷是作物生长发育的一种大量营养元素，磷肥的利用效率非常低，当季磷肥利用率仅在10%－20%左右。磷肥的低效利用，使农业面源污染成为水系富营养化、土壤酸化与重金属污染最重要的因素，严重威胁我国生态安全与可持续发展。另外，磷矿是不可再生资源，磷矿在世界范围内濒临枯竭。在自然界中不同植物以及同种作物的不同品种对磷的吸收、利用存在明显差异。在国家“973”和“863“等项目的支持下，本实验室目前正在利用正向和反向遗传学方法鉴定和分离磷吸收代谢关键基因及QTLs，研究其生物学功能，拟揭示磷吸收代谢的分子机制，为培养磷高效农作物新品种提供理论依据和新基因资源。

2. 麦类作物分子遗传学
小麦是我国和世界上的主要粮食作物，由于各种生物和非生物因子的胁迫，严重制约着小麦生产。本课题组从分子遗传学水品上对小麦重要农艺性状（面粉烘烤品质，产量性状，养分高效利用以及抗病性等）开展研究。用李振声院士培育的高产小麦品种小偃54构建了一个含有约一百万个克隆的小麦六倍体基因组BAC文库，为用图位克隆分离小麦重要农艺性状基因奠定了技术平台，从普通小麦中用图位克隆法分离了小麦叶锈病抗病基因LR1。目前正在克隆一个控制小麦子房数量的基因。

授权专利：
1）一种缺磷诱导基因启动子及其应用，专利号：ZL200610075838.2
2）与AtbHLH29协同调控植物铁元素吸收的基因及其编码蛋白与应用，专利号：ZL200610012194.2


 

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