Ni-His复合物诱导ROS/Ca2+信号介导植物Ni的解毒机制
批准号：
42077144
项目类别：
面上项目
资助金额：
57.0 万元
负责人：
VADZIM DZEMIDCHYK
依托单位：
学科分类：
环境土壤学
结题年份：
2024
批准年份：
2020
项目状态：
已结题
项目参与者：
VADZIM DZEMIDCHYK
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
镍（Nickel，Ni）是对植物和人类健康威胁较大的重金属元素之一，中国尤其在南方省份，Ni污染比较严重。自由Ni离子在自然状态下不具有氧化还原活性，然而Ni胁迫下会造成氧化胁迫，其机理尚未可知。本研究前期发现，Ni胁迫下组氨酸会大量积累并形成Ni-His复合物，并诱导Ni具有氧化还原活性，从而使活性氧大量增加。本项目拟在此基础上，结合转录组、蛋白组和代谢组分析技术和电生理的研究方法展开相关研究，首先通过转录组学和蛋白组学分析Ni处理下相关关键基因的表达和蛋白含量，然后进一步结合电生理的方法构建异源表达载体，利用膜片钳技术和钙离子荧光成像系统分析这些基因在Ni-His复合物诱导植物氧化还原和钙信号转导中的作用；同时通过酵母单杂筛库技术筛选等分子技术研究调控Ni运输的转运蛋白和离子通道蛋白的转录因子。开展本研究，将为利用施加氨基酸和分子育种技术，提高植物对Ni胁迫的耐受性。
英文摘要
Nickel is the one of most toxic heavy metals for plants and human. Pollution by Ni is extremely high in China, particularly in the Southern provinces. Solving the problem of soil pollution by Ni is critically important for food safety and security in China and worldwide. An oxidative stress is widely considered as a major reason of Ni toxic effects, although mechanisms of Ni-mediated generation of Reactive Oxygen Species (ROS) and potential redox signaling are unclear. This is because free Ni2+ ions are not redox-active in biological systems. Plants significantly increase production of amino acid histidine in response to nickel stress and we propose that this makes Ni2+ redox-active and recognized by cellular signaling systems, such as calcium. This project will combine state-of-the-art biophysical and molecular techniques to elucidate the mechanism. To analyze Ni2+ stress-related proteins via transcriptome and proteome sequencing; Additionally, to delineate mechanisms of ROS generation by Ni-His complexes in plants via electrophysiology, such as patch-clamp and calcium luminometer imaging; furthermore, to investigate the transcription factor via yeast one-hybrid screening, etc, that regulates the transporter of Ni and cyclic nucleotide gated channels. This work will completely alter our understanding of the mechanisms of plant response and tolerance to nickel and some other metals. It will allow application of directed genetic manipulations at the level of signaling networks to improve metal tolerance of crop plants.
重金属镍（Ni）是植物必需且不可或缺的微量营养元素，但同时，高浓度的镍也是常见的污染物和有毒物质。植物产生的有机阴离子配体，如L-组氨酸（His），在植物细胞对Ni²⁺的解毒过程中发挥着关键作用。在此，我们以拟南芥为模型系统，证明了His与Ni²⁺共同添加能显著降低Ni²⁺对拟南芥植物的毒性，这不仅是因为镍的化学活性降低，还通过诱导对适应至关重要的信号现象，如活性氧（ROS）的产生以及胞质Ca²⁺信号的触发。通过电子顺磁共振（EPR）光谱法，我们发现Ni²⁺无法催化羟基自由基（如具有氧化还原活性的铜或铁那样）的产生，而当它与His形成复合物时，这种阳离子能够诱导适度的羟基自由基形成，其可能更多地发挥信号作用而非毒性作用。同样地，Ni-His复合物（而非Ni²⁺）能够激活膜片钳夹住的根原生质体中的Ca²⁺ 内流和K⁺ 外流电流，导致瞬时的胞质Ca²⁺升高（Ca²⁺信号）和K⁺释放。组氨酸可防止由Ni²⁺诱导的程序性细胞死亡症状，包括细胞形态变化、蛋白酶和核酸酶活性。当[Ni²⁺ ]>0.3 mM时，它还能阻止Ni²⁺的积累。有趣的是，用Ni-His预处理根可增强其对Ni²⁺的抗性。在此，我们还发现，如通过膜片钳、火焰原子吸收分光光度法以及用丁二肟（Ni²⁺特异性染料）染色进行的镍组织定位分析所示，Ni²⁺ 通过对钆（Gd³⁺ ）敏感的阳离子通道转运至根细胞。总体而言，这些数据表明，His是触发ROS-Ca²⁺介导反应所必需的，这使得Ni²⁺能被拟南芥的信号传导机制 “感知”，并有可能促进高等植物对过量Ni²⁺的适应。我们还对小麦、向日葵和豌豆等农作物进行了初步实验。实验表明，小麦和向日葵对Ni²⁺敏感，His可保护这些物种免受Ni²⁺诱导的生长抑制，而豌豆对Ni²⁺具有中等耐受性，Ni²⁺对其生长的抑制作用不太明显，且His对其抵御Ni²⁺无效。我们还首次表明，Ni²⁺主要通过对Gd³⁺敏感的阳离子通道转运至植物根细胞（这是一种依赖扩散的被动转运机制，不涉及耗能的主动转运）。
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