兼性金属型植物酸性转化酶基因的变异与功能研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31270432
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    79.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0309.环境与生物演化
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Acid invertases are key enzymes for controlling organogenesis of sink organs of plants by providing energe, carbon and hexose signals through hydrolysis of sucrose, and play an important role in special life history formation of rooting, fructification and tolerance maintenance in metallophytes found in uncommonly contaminated environments by heavy metals. It is recently discovered that, acid invertase genes divergence arises in copper tolerant populations in several metallophyte species showing higher enzyme activities, so that amino acid changes occurred in the enzyme protein and enzyme-substrate affinity increased. However, it is known neither these amino acid changes are correlated with the elevated enzyme activities, nor which of these amino acids are key functional residuals. This project is to study the relationship between potential key point mutations in acid invertase genes and their enzyme characterization as well as functional variations in native Chinese metallophytes found in ancient Cu mines that appeared since the Shang and Zhou dynasties, by means of RT-PCR, PCR site-directed mutagenesis, recombinant plasmid construction, heterologous expression in Pichia pastoris and Arabidopsis thaliana, enzyme characterization and 3-dementional modeling of recombinant enzyme proteins, and phenotype analysis of the transgenic plants. The results could, from one side, elucidate the role of acid invertase variation in the special life history formation and evolution of Cu tolerant populations of the metallophytes. The strategy of comparing the enzyme characterization and functional variations in acid invertases between side-directed mutants and their wild types could, to some extent, confirm their possible evolutionary course occurred naturally in the wild by gene manipulation in the laboratory. This idea might be applied in other similar evolutionary studies.
酸性转化酶因水解蔗糖提供能量、碳源和己糖信号是植物库器官建成的关键酶,对重金属污染极端环境中金属型植物生根、结实和抗性维持的特殊生活史形成有重要作用。近期发现,多种金属型植物抗铜种群的该酶基因发生趋异,使酶蛋白出现氨基酸替换、酶-底物亲合力提高且酶活性升髙。但未知这些氨基酸替换是否与酶活性增强相关、其中哪些残基是关键功能位点?本项目用RT-PCR、PCR定点突变、重组质粒构建、毕赤酵母和拟南芥异源表达、重组蛋白酶学特征和3D构型及转基因植株表型分析,研究商周古铜矿遗址原产兼性金属型植物酸性转化酶基因若干关键位点突变与其酶学特征及功能变异的关系,借此从一侧面阐述该酶的变异在抗铜种群特殊生活史形成和进化中的作用。本项目经比较酸性转化酶基因定点突变体与其野生型的异源表达蛋白的酶学特征和功能差异,能在实验室内借助基因操作手段验证该酶在野外可能发生的进化过程。此思路可为其它类似的进化生态学研究借鉴。

结项摘要

金属型植物是生长在重金属污染区、具有抗重金属性能的植物。它们在植物抗重金属机理与进化、重金属污染土壤的植物修复和生态恢复研究中具有突出地位。酸性转化酶因水解蔗糖提供能量、碳源和己糖信号是植物库器官建成的关键酶,对污染环境中金属型植物生根、结实和抗性维持的特殊生活史形成有重要作用。本项目以我国铜矿污染区原产金属型植物为试材,应用RT-PCR、3'和5'RACE、DNA测序、实时定量PCR、SDS-PAGE、Western Blot、酶蛋白三维模拟、巴斯德毕赤酵母及拟南芥异源表达等技术,比较分析铜矿污染区抗铜种群和对照区非抗铜种群酸性转化酶基因的结构与功能变异。研究的金属型植物包括海洲香薷、鸡眼草和齿果酸模。酸性转化酶包括细胞壁转化酶和液泡转化酶。研究内容涉及三个物种的酸性转化酶基因克隆与转录表达,酶蛋白3D结构、模拟定点突变和分子对接,异源表达,重组蛋白的酶学特征,及启动子的变异和活性。三个物种的抗铜种群的酸性转化酶基因表达无例外地受铜胁迫诱导,而非抗铜种群则被抑制。三个物种的抗铜种群和非抗铜种群之间酸性转化酶蛋白有2-3个氨基酸残基趋异,但这些趋异的氨基酸并不位于酶分子的催化活性中心,也没有显著改变酶分子的构型。海洲香薷和鸡眼草的酸性转化酶基因在毕赤酵母中异源表达获得重组蛋白,其酶学特性及对多种重金属的敏感性在抗铜种群和非抗铜种群之间没有明显差异。因此,抗铜种群酸性转化酶基因编码区的趋异没有对其功能产生显著影响。在海洲香薷酸性转化酶基因启动子序列中发现多个与植物激素、生物和非生物胁迫及糖相关的顺式调控元件,这意味着酸性转化酶基因的表达调控可能受到这些因素的广泛影响。海洲香薷酸性转化酶基因启动子在转基因拟南芥中成功驱动GUS报告基因表达。本项目研究结果初步证实抗铜种群酸性转化酶基因编码区的趋异对其酶学特征和基因表达没有产生显著影响,而其由启动子介导的基因表达调控变异值得深入研究。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
cDNA cloning, heterologous expression and characterization of a cell wall invertase from copper tolerant population of Elsholtzia haichowensis
海州香薷耐铜群体细胞壁转化酶的 cDNA 克隆、异源表达和表征
  • DOI:
    10.1515/biolog-2015-0120
  • 发表时间:
    2015-08
  • 期刊:
    Biologia
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Zhongrui Xu;Shenwen Cai;Luan Zhang;Zhiting Xiong
  • 通讯作者:
    Zhiting Xiong
Comparative study of root growth and sucrose-cleaving enzymes in metallicolous and non-metallicolous populations of Rumex dentatus under copper stress
铜胁迫下金属酸模和非金属酸模根系生长和蔗糖裂解酶的比较研究
  • DOI:
    10.1016/j.ecoenv.2013.09.017
  • 发表时间:
    2013-12-01
  • 期刊:
    ECOTOXICOLOGY AND ENVIRONMENTAL SAFETY
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Cai, Shen-Wen;Huang, Wu-Xing;Zhao, Jing
  • 通讯作者:
    Zhao, Jing
Differential responses of root growth, acid invertase activity and transcript level to copper stress in two contrasting populations of Elsholtzia haichowensis
两个对比海州香薷种群根系生长、酸性转化酶活性和转录水平对铜胁迫的差异反应
  • DOI:
    10.1007/s10646-013-1153-y
  • 发表时间:
    2014-01-01
  • 期刊:
    ECOTOXICOLOGY
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Cai, Shenwen;Xiong, Zhiting;Xu, Zhongrui
  • 通讯作者:
    Xu, Zhongrui
海州香薷( Elsholtziahaichowensis Sun) 细胞壁转化酶基因启动子( EhcwINVP) 的克隆及活性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    植物科学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵静;熊治廷
  • 通讯作者:
    熊治廷
海州香薷Actin基因片段克隆及表达分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    生物技术通报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    熊治廷;刘晨;徐仲瑞;邓松强
  • 通讯作者:
    邓松强

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  • 通讯作者:
    熊治廷
铜胁迫对不同抗性种群海州香薷酸性转化酶基因启动子甲基化的影响
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  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    植物科学学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    何宇宁;徐仲瑞;熊治廷
  • 通讯作者:
    熊治廷

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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