XCD1基因调控拟南芥抗镉的机理研究

作     者：柏晓娅 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹树青

授予年度：2013年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：XCD1基因 Cd积累 GFP GUS 原核表达 细胞壁 甘露糖 

摘      要：土壤重金属镉（Cd）污染是全球面临的环境问题。植物修复是解决土壤Cd污染的重要途径之一。基因工程是获得Cd超量积累植物的新方法，而这项工作的关键在于对植物耐受Cd毒害及其超量积累的分子机理的认识以及关键基因的克隆。 前期研究中，我们已筛选了一个T-DNA插入突变体xcd1-D，克隆了一个拟南芥抗镉基因XCD1，该基因功能获得导致对镉耐受。为进一步研究该基因的功能，本论文利用功能缺失性研究方法对其功能及其作用机理进行了研究。研究结果如下： 1、在正常生长条件下，野生型和XCD1基因敲除突变体xcd1-1、xcd1-2、xcd1-3的生长没有显著差异;然而，在Cd胁迫下，突变体xcd1-1、xcd1-2、xcd1-3对镉胁迫敏感，其根长和鲜重显著低于野生型。 2、对XCD1基因编码的蛋白进行亚细胞定位，发现XCD1-GFP表达蛋白定位在细胞壁上;此外，XCD1(promoter):GUS表达结果显示XCD1基因在植株根部表达最显著。 3、利用原核表达技术对该基因编码蛋白的生化功能进行分析，结果表明XCD1基因编码的蛋白具有β-甘露聚糖水解酶酶活性。 4、镉含量分析表明，xcd1-D植株中XCD1基因的诱导表达导致其根部镉含量增加，较野生型提高了1.39倍;此外，在镉胁迫下，35S∷XCD1过表达转基因植株根部的Cd积累也显著增加，较野生型提高了1.72倍，而突变体xcd1-1、xcd1-2、xcd1-3植株根部镉积累较野生型稍有下降。在Cd和β-雌二醇处理后，提取xcd1-D突变体和野生型植株根部的细胞壁并测量其细胞壁中镉含量。结果显示，xcd1-D突变体植株细胞壁对Cd的积累显著增加，较野生型提高了1.25倍。 5、为进一步阐明XCD1基因对植株根部镉积累的作用机制，以xcd1-D突变体和野生型为研究对象，在Cd和β-雌二醇处理下，发现xcd1-D突变体植株细胞壁中β-甘露聚糖酶的活性升高。对其细胞壁的各组分分析发现，xcd1-D突变体细胞壁中半纤维素含量降低。进一步分析半纤维素中镉含量，发现其含量明显增加，推测半纤维素中的降解物质甘露糖可能与镉结合导致的。 6、在正常生长条件下，甘露糖处理对野生型和xcd1-2突变体的生长没有显著影响;然而，在镉胁迫条件下，甘露糖处理能显著提高野生型和突变体xcd1-2对Cd胁迫的耐受性，但对xcd1-2突变体的耐镉能力提高的幅度更大，表明甘露糖能够缓解拟南芥对镉的耐受性。野生型和xcd1-2突变体根部和根部细胞壁中的镉含量较在镉胁迫下升高，说明甘露糖与镉的结合物最终被吸附在根部细胞壁上。