设为首页 | 加入收藏 | English欢迎来到南京大学环境学院!

马奇英教授课题组在蜈蚣草砷转运关键基因的功能研究和应用方向取得新进展

       随着我国工业化和城市化进程的加快,土壤重金属污染加剧,不仅严重威胁居民健康,而且成为国家经济转型和实施可持续发展战略的瓶颈之一。其中,砷(Arsenic, As)是毒性较强且污染范围较大的重金属元素。近年来,砷的致癌性、砷污染土壤的广泛性以及砷被农作物吸收进入食物链导致的食品安全问题引起了国内外学者的广泛关注。蕨类植物蜈蚣草(Pteris vittata)是世界上第一种被发现的砷超富集植物,具有极强的砷吸收能力、高效的砷转运能力及植物细胞对砷的高度抗性,是一种理想的修复土壤砷污染的植物,也是研究植物砷吸收、转运、积累和解毒机制的理想植物材料。对蜈蚣草砷代谢解毒分子机制及关键转运蛋白的研究,可为阻控砷在粮食作物中的积累提供重要的基因资源。
       我院马奇英教授课题组通过蜈蚣草转录组测序和生物信息学分析,克隆得到了蜈蚣草砷富集过程中的一个关键亚砷酸逆转运蛋白(ACR3)基因:PvACR3;1。在植物进化过程中,ACR3 在被子植物中丢失,因此此前关于植物ACR3 的报道极少。为深入研究基因功能,研究人员将PvACR3;1基因分别导入模式真核生物酿酒酵母、模式植物拟南芥以及烟草中,并对其基因功能及亚细胞定位进行了深入分析。
       酵母实验表明,PvACR3;1编码一个有功能的亚砷酸逆转运蛋白,可将酵母细胞内的AsIII泵到胞外,从而有效降低酵母细胞中的砷含量并显著增强酵母的砷抗性。在模式植物拟南芥中研究发现,5 μM AsIII处理条件下,相较于野生型拟南芥,PvACR3;1转基因拟南芥根部砷含量增加了14−29% ,而地上部分砷含量则显著降低了55−61%,表明PvACR3;1基因的导入显著降低了拟南芥中砷的转运。在转基因烟草中进一步研究发现,不论是在亚砷酸盐(AsIII)或砷酸盐(AsV)水培处理条件下,还是在砷污染土壤处理条件下,PvACR3;1均显著增加了烟草根中砷的含量,降低了烟草中砷向地上部分的转运。通过构建PvACR3;1-GFP融合蛋白表达载体,观测PvACR3;1-GFP融合蛋白的荧光定位发现,PvACR3;1定位于植物细胞的液泡膜上,暗示PvACR3;1介导了砷在液泡中的区隔化,导致砷被扣留在根部细胞的液泡中,从而限制了砷向地上部的转运和迁移。这一重要结果也为降低砷在重要粮食作物可食用部位(果实、种子等)的积累、阻控砷在食物链中的传递提供了重要途径。
图1 PvACR3;1的酵母功能验证表明PvACR3;1是一个有功能的亚砷酸逆转运蛋白,可介导酵母细胞中砷的外排,增强酵母对砷的抗性。

图2 PvACR3;1-GFP融合蛋白的荧光定位表明PvACR3;1定位于植物细胞的液泡膜上,可介导植物根部砷在液泡中的区隔化,从而有效降低砷向地上部分的转运。

       这一研究成果于2017年8月23日在线发表于环境科学领域重要期刊《Environmental Science & Technology》(DOI: 10.1021/acs.est.7b03369)。该研究工作的第一作者为陈焱山副研究员,通讯作者为曹越博士,马奇英教授为共同作者。研究得到了江苏省青年基金(Grant No. BK20160649),国家重点研发计划(Grant No. 2016YFD0800801)以及国家自然科学基金(Grant No. 21707068 and 21637002)的资助。

版权所有©2009南京大学环境学院 Copyright © 2009 school of the environment, Nanjing Universityall Rights Reserved