铝诱导荞麦根系有机酸分泌的分子机制研究

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基本信息

  • 批准号:
    31572193
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    67.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1511.设施园艺学
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Aluminum (Al) toxicity represents one of the major limiting constraints to plant growth and development on acidic soils. Al-induced organic acids secretion (mainly citric acid, malic acid, and oxalic acid) is a widely adopted and very important mechanism by which plants deal with Al toxicity. To date, the genes responsible for Al-induced citric acid secretion and malic acid secretion have been isolated in a number of plant species. However, the gene related to Al-induced oxalic acid secretion has not been identified in any species. In addition, it seems that the entrance of Al into root cell symplast is unavoidable even to those plant species that resist Al toxicity mainly by means of exclusion mechanisms. Thus, it is worth to note regarding how to improve the translocation efficiency of Al from root to shoot, and as a consequence, detoxify Al within leaf vacuoles. It has been demonstrated that roots of buckwheat secret oxalic acid into rhizosphere and citrate into xylem when suffering from Al stress. Based on these findings, in this project, we aim to identify the key genes involved in Al-induced oxalic acid secretion and citric acid secretion through comparative analysis of transcriptomic and proteomic responses of buckwheat root apex to Al stress. By means of promoter cloning and analysis, as well as yeast-one-hybrid screening, we try to clarify the transcriptional regulation of these genes. Transgenic approaches will help us to explore whether high and efficient Al resistance plants could be constructed through modification of upstream signal transduction pathways. For the first time, this project will investigate the molecular mechanism of Al-induced organic acids secretion from buckwheat roots, and will further our understanding of Al tolerance mechanism in higher plants. Furthermore, the achievements of this project will also provide scientific guidance for the fields concerning signal transduction of Al stress, evolution of Al tolerance genes, and improvement of Al tolerance through biotechnology.
铝毒是限制酸性土壤作物生产的主要因子之一。铝诱导植物根系分泌有机酸(柠檬酸、苹果酸和草酸)是较普遍和重要的耐铝机制。目前关于铝诱导柠檬酸和苹果酸分泌到根际的基因已在一些物种中被克隆,而诱导草酸分泌的基因还未在任何物种中被报道。此外,由于铝进入根细胞内的不可避免性,将铝从木质部转运到地上部而在叶片解铝毒的重要性也值得关注。本项目以铝诱导荞麦根系分泌草酸到根际和分泌柠檬酸到木质部为前提,结合转录组和蛋白质组分析,挖掘调控铝诱导荞麦根尖有机酸分泌的关键基因;通过启动子分析和酵母单杂交筛选,明确关键基因的转录表达调控机制;通过转基因功能验证,探索通过改造上游信号途径使植物更好适应酸性土壤的可能性。本项目首次系统的开展铝诱导荞麦有机酸分泌的分子机制,可望对植物耐铝机制作出更新和更全面的阐述,为研究铝胁迫信号转导途径、耐铝基因遗传转化、以及通过生物工程手段提高作物耐铝性提供了科学依据。

结项摘要

铝是地壳中最丰富的金属元素。在酸性土壤环境中,离子态铝溶解进入土壤溶液,对大多数植物的生长发育造成严重影响。因此,研究植物抗铝机制,遗传改良植物抗铝性是保障酸性土壤地区粮食安全的有效途径之一。荞麦是一种适应酸性铝毒土壤的作物,它在酸性铝毒土壤上生长良好,表明进化出了特殊的抗铝机制。前期的研究基础表明,荞麦根系分泌有机酸是其抗铝的重要机制。但是调控荞麦根系有机酸分泌的分子机制仍不是很清楚。本研究项目围绕荞麦对铝胁迫的响应,从转录组分析、基因挖掘以及功能分析等方面开展荞麦抗铝的分子机制。主要研究结果如下:利用转录组测序,解析了荞麦根尖和叶片响应铝胁迫的分子机制,确定了关键转运蛋白基因,为后续功能分析奠定了基础,相关成果发表于Frontiers in Plant Science(2017)和International Journal of Molecular Sciences(2017)上。基于转录组分析结果,克隆并鉴定了两个关键转运蛋白基因FeSTAR1和FeALS3,明确了它们通过调控细胞壁代谢参与荞麦抗铝,相关成果发表于Plant Soil(2018;2019)上。为了深入分析草酸代谢机制,克隆了荞麦参与草酸乙酰化降解途径的关键酶基因FeAAE,并对其铝胁迫的转录表达进行了研究,成果发表于Plant Signaling & Behavior上(2017)。为了进一步挖掘参与草酸分泌过程中的关键因子,分析了番茄根尖响应铝胁迫的转录组,挖掘了相关转运蛋白基因,并对番茄AAE家族进行了系统分析。通过蛋白原核表达和生化分析,明确了番茄AAE蛋白对草酸降解的底物专一性,进一步利用Crispr/cas9基因编辑技术,获得了相关基因编辑材料。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A half-type ABC transporter FeSTAR1 regulates Al resistance possibly via UDP-glucose-based hemicellulose metabolism and Al binding
半型 ABC 转运蛋白 FeSTAR1 可能通过基于 UDP 葡萄糖的半纤维素代谢和 Al 结合调节 Al 抗性
  • DOI:
    10.1007/s11104-018-3805-4
  • 发表时间:
    2018-09
  • 期刊:
    Plant and Soil
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    徐佳萌;娄和强;金建峰;陈微微;万江雪;范伟;杨建立
  • 通讯作者:
    杨建立
Transcriptome Analysis of Al-Induced Genes in Buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) Root Apex: New Insight into Al Toxicity and Resistance Mechanisms in an Al Accumulating Species.
荞麦 (Fagopyrum esculentum Moench) 根尖中铝诱导基因的转录组分析:对铝积累物种中铝毒性和抗性机制的新见解。
  • DOI:
    10.3389/fpls.2017.01141
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Frontiers in plant science
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Xu JM;Fan W;Jin JF;Lou HQ;Chen WW;Yang JL;Zheng SJ
  • 通讯作者:
    Zheng SJ
Genome-Wide Transcriptome Analysis Reveals Conserved and Distinct Molecular Mechanisms of Al Resistance in Buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) Leaves.
全基因组转录组分析揭示了荞麦 (Fagopyrum esculentum Moench) 叶子中保守且独特的铝抗性分子机制
  • DOI:
    10.3390/ijms18091859
  • 发表时间:
    2017-08-27
  • 期刊:
    International journal of molecular sciences
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Chen WW;Xu JM;Jin JF;Lou HQ;Fan W;Yang JL
  • 通讯作者:
    Yang JL

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其他文献

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稻豆(Vigan umbellata)根中早期铝反应基因的鉴定为铝毒性和耐受性的分子机制提供了新线索
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    Plant, Cell and Environment
  • 影响因子:
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  • 作者:
    刘美雅;王占旗;杨建立;郑绍建
  • 通讯作者:
    郑绍建
创伤性应激障碍样大鼠海马GABA受体表达的变化
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国心理卫生杂志
  • 影响因子:
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  • 作者:
    黄庚娣;方青;薛言学;杨建立
  • 通讯作者:
    杨建立
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核因子抑制-
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Behavioural Brain Research
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    杨建立
  • 通讯作者:
    杨建立
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    水道港口
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    熊德琪;林奎;肖明;杨建立
  • 通讯作者:
    杨建立
矿难后2个月和10个月创伤后应激障碍的发生率及相关因素
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中南大学学报(医学版)
  • 影响因子:
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  • 作者:
    杨建立;李卫辉;侯彩兰;李则宣;李凌江;李功迎;张燕
  • 通讯作者:
    张燕

其他文献

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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

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          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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