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Plant, Cell & Environment|中科院王亮生研究团队利用CRISPR/Cas9技术揭示植物如何防止镉毒害

背景

镉是一种剧毒的重金属物质,对动物和植物都具有巨大的毒害作用。对于植物来说,镉能够对叶绿体进行毒害并抑制其光合作用的进行。在植物中有一种植物名为伴矿景天,它作为目前已知的几种对cd具有超富集能力最强的植物之一,能在地上部分组织中累计大量的cd而不呈现毒害症状,是我国用于镉污染农田土壤治理的一种重要修复植物。在土壤重金属污染治理中具有重要应用价值。但伴矿景天及其他镉超富集植物如何防止叶绿体内镉的积累、保护光合反应免受毒害的机制仍然未知。

中国科学院植物研究所王亮生研究团队在国际学术期刊Plant, Cell & Environment(IF:6.362)发表了一篇名为“SpHMA1 is a Chloroplast Cadmium Exporter Protecting Photochemical Reactions”的文章,该文章发现了伴矿景天中存在两个重金属转运蛋白基因 SpHMA1和SpHMA2,SpHMA1基因参与叶绿体对镉元素的外排解毒, SpHMA2基因负责将镉转运到液泡中进行区隔化,实现镉的胞质解毒。从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。

文章来源


通过亚细胞定位发现在表达SpHMA1N198-GFP的原生质体中,仅在叶绿体包膜中观察到绿色荧光,而在对照细胞中仅在细胞核和细胞质中观察到绿色荧光,但在叶绿体中未观察到绿色荧光,这些结果证实SpHMA1位于叶绿体包膜。

图1:SpHMA1的亚细胞定位

1:SpHMA1的亚细胞定位


研究发现在没有Cd的正常生长条件下,伴矿景天中的SpHMA1在叶片中优先表达,其表达比根部高150倍以上。相反,SaHMA1n在非超积累生态型的根,茎和叶中以相似的水平表达。相比于同源基因SaHMA1nSpHMA1其表达高200倍以上。

 

图2:根,茎和叶中SpHMA1和SaHMA1n的转录水平

2:根,茎和叶中SpHMA1SaHMA1n的转录水平


为了确定SpHMA1是否影响Cd在叶绿体中的积累,将野生型和SpHMA1-RNAi植物暴露于100和200μMCd 15天的叶绿体中Cd的含量,结果表明SpHMA1-RNAi转基因品系叶绿体中的标准化Cd含量比野生型叶绿体中的标准化Cd含量高4.5至6倍。在野生植物中当外部Cd浓度从100μM增加到200μM时,叶绿体中的标准化Cd含量增加了大约两倍。镉在SpHMA1-RNAi植物中叶绿体中的含量增加了约7倍。相比之下,SpHMA1-RNAi系叶绿体中的Cu和Zn含量与野生型植物无显着差异。这些结果表明,与野生型植物相比,SpHMA1表达的敲低导致SpHMA1-RNAi植物叶绿体中Cd的积累增加。

 

3:野生型和SpHMA1-RNAi品系中cd在叶绿体中的积累


 研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了2个敲除突变植株,将SpHMA1-ko1SpHMA1-ko2和野生型植物转移到添加或不添加Cd0100200μMCdCl2)的水培溶液中15天。在SpHMA1-ko1中,显着降低了ΦPSII,增加了ΦNPQInh,但对野生型植株的这些荧光参数几乎没有影响,SpHMA1-ko1突变体的叶绿体中的Cd浓度比野生型高14倍。仅在200μMCd处理下,SpHMA1-ko2植物的叶绿体中Cd浓度显着高于野生型,其效果远小于SpHMA1-ko1植物,发现SpHMA1基因沉默和突变植株的叶绿体中镉积累显着增加,光系统II的活性受镉胁迫抑制更显著,表明SpHMA1参与叶绿体对镉元素的外排解毒,从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。 

 

图4:SpHMA1的CRISPR / Cas9突变体的表征

4SpHMA1CRISPR / Cas9突变体的表征

 

结果

研究确定了SpHMA1是一种Cd转运蛋白,定位于叶绿体包膜,起到将Cd从叶绿体输出到细胞质和保护镉超富集的叶子细胞中的光化学反应。研究显示SpHMA1在叶片中高度表达,从而使叶绿体中镉的有效排毒。为了将胞质Cd保持在较低水平,另一个重金属ATPSpHMA3的功能是将Cd从细胞质转运到空泡,因此,SpHMA1SpHMA3Cd都很重要。

参考文献

1Abdel-Ghany S.E., Müller-Moulé P., Niyogi K.K., Pilon M. & Shikanaic T. (2005) Two Ptype ATPases are required for copper delivery in Arabidopsis thaliana chloroplasts. The

Plant Cell 17: 1233–1251. 

2Andres-Colas N., Sancenon V., Rodriguez-Navarro S., Mayo S., Thiele D.J., Ecker J.R., Penarrubia L. (2006) The Arabidopsis heavy metal P-type ATPase HMA5 interacts with metallochaperones and functions in copper detoxification of roots. The Plant Journal 45:

225–236

3Axelsen K.B. & Palmgren M.G. (2001) Inventory of the superfamily of P-type ion pumps in Arabidopsis. Plant Physiology 126: 696–706.


文章链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.13456 

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Plant, Cell & Environment|中科院王亮生研究团队利用CRISPR/Cas9技术揭示植物如何防止镉毒害
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