一种改良植物镉耐受性状并促进镉积累的功能基因及应用

本发明属于植物修复基因工程，具体涉及一种改良植物镉耐受性状并促进镉积累的功能基因的应用，特别涉及利用过表达该功能基因来增强植物对镉毒害耐受性状并通过植物修复技术实现植物改善土壤重金属污染问题。

背景技术：

1、随着人类工业化进程加快，土壤重金属污染的问题日益严峻，其不仅危害着粮食安全而且还可以通过食物链危害人类的健康。而现环境污染方面所涉及的重金属主要有镉（cd）、镍（ni）、铜（cu）铅（pb）、汞（hg）、锌（zn）、和铬（cr）等，其中镉作为一种植物非必需重金属，已经成为一种严重破坏土壤的重金属污染物质。目前，土壤重金属镉污染物主要来源于金属冶炼、农药化肥使用、化工废水排放等人类活动。土壤中的重金属镉污染物由于其不易被降解，且在植物体内容易被富集，从而影响植物正常的生理代谢，造成农作物产量及品质下降。近年来发现的植物修复技术是用于治理土壤重金属污染的“绿色技术”,由于植物机体本身可进行多种生理代谢反应，并带有显著的吸附容量及与土壤间离子选择性传输系统，因此植物可通过调节自身的生理代谢反应来适应环境中的重金属污染物。此外，由于植物根部比表面积较大，植物可藉由根部降解重金属污染物或减缓其移动，也可将重金属污染物由土壤中吸附至植物中而达到“转存隔离”的目的。植物修复技术以其适应性强、不破坏土壤生态环境、成本低、无二次污染等优点，已倍受世界各国的关注，且是当今国际环境和生物学科交叉领域的前沿和热点。

2、模式植物拟南芥，因其具有形体小、繁殖系数高、生命力强、生长周期短、自花授粉和易于转化等优点而被广泛应用于作物生物学、植物遗传学、发育生物学和分子生物学等研究领域。且拟南芥的大多数基因在其它植物物种中都能被找到，有关拟南芥的任何发现都能应用于其它植物研究，因此将拟南芥作为研究对象其不仅可以更快更好的达到实验预期目标，而且能够很大程度上缩短实验时间。除此之外，拟南芥由于其基因组小，在2000年就已完成全基因组的测序工作，成为第一个被完整测序的植物物种，在互联网上可以找到拟南芥基因组的核苷酸序列。根据拟南芥测序数据库（www.arabidopsis.org）发现新的具有自主知识产权的功能基因不仅是国际植物学研究领域的热点，也是不同生命科学领域竞争的焦点。拟南芥共有约1.3亿个碱基对，2.9万个基因，目前许多基因的功能尚不清楚。现对于严重的土壤重金属污染问题，利用植物拟南芥研究抵抗重金属毒害的分子生物学机制其对特定污染区域采用植物修复基因工程技术治理土壤重金属污染具有重要的理论与经济意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一改良植物镉耐受性状并促进镉积累的功能基因。本发明的第二个目的是通过过量表达该功能基因提供一种增强植物修复基因工程技术治理土壤重金属污染的应用。

2、一种如序列表seq id no:1所示的功能基因用于改良植物镉耐受性状并促进镉积累的应用，将序列表seq id no:1所示的功能基因转入植物中，所述植物为拟南芥，植物表现为镉耐受的性状，并在植物根和叶中积累镉。

3、将序列表seq id no：l所示的功能基因通过农杆菌介导的浸花法转入野生型植株，使其在野生型植株中过量表达，植物表现为镉耐受及镉积累的性状。

4、本发明的有益技术效果体现在以下方面：

5、1.本发明的植物耐镉相关蛋白及其编码基因可为农作物耐镉育种和植物修复土壤中镉污染提供新的基因资源和技术支持。根据拟南芥数据库公布的基因组序列，rbohd（at5g47910）是拟南芥植物nadph氧化酶家族成员，rbohd是一种膜定位蛋白，具有六个保守的跨膜螺旋以及胞质n和c末端，其在植物的生长发育及环境胁迫应答时发挥重要作用。申请人发现 rbohd基因过表达植株在镉胁迫处理下表现出镉耐受的性状，而先前研究发现，植物已经进化出一系列的分子机制来排毒和耐受重金属胁迫，例如泵出细胞中的重金属，细胞质中的各种巯基化合物螯合重金属，并转运到液泡中隔离等。谷胱甘肽（gsh）或植物螯合素（pcs）螯合细胞质中cd，并将其固存在液泡中，从而减少cd对植物的危害，因此 gsh 途径是植物体内 cd 积累和耐受的重要机制之一。而本发明所述的rbohd（at5g47910）功能基因涉及植物镉耐受性的调控。为此，我们研究了该基因功能，研究发现，在rbohd（at5g47910）功能基因过量表达时镉胁迫处理能促进植物螯合肽合成前体还原型谷胱甘肽1（gsh1）、还原型谷胱甘肽2（gsh2）、植物螯合肽合酶1（pcs1）、植物螯合肽合酶2（pcs2）等镉胁迫相关基因的大量表达，从而增加谷胱甘肽（gsh）和植物螯合肽的含量（pcs）。这说明rbohd（at5g47910）在响应植物镉胁迫过程中主要通过谷胱甘肽依赖的pc合成途径增加植物镉耐受性及促进镉积累。

6、2.植物在生长发育过程中会面临各种环境胁迫，由于人类活动的加剧，矿物开采的增加，土壤重金属污染越来越严重，并对植物和农作物构成巨大的危害。植物修复基因工程已逐渐成为解决土壤重金属污染问题的重要方法，具有对环境和土壤破坏小，经济成本低，适合大规模推广等特点，并且可以从源头上控制农产品食品安全，已成为农业土壤重金属污染土壤修复技术的优先选择。若是在植物修复重金属污染技术中将本发明所述的 rbohd功能基因或其同源基因在植物体内过量表达，其不仅可以增强其修复土壤重金属镉污染的能力，而且对农作物遗传改良以及研究植物解毒重金属的分子机制提供新的基因资源。

技术特征：

1.一种如序列表seq id no:1所示的功能基因用于改良植物镉耐受性状并促进镉积累的应用，其特征在于：将序列表seq id no:1所示的功能基因转入植物中，所述植物为拟南芥，植物表现为镉耐受的性状，并在植物根和叶中积累镉。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：将序列表seq id no：l所示的功能基因通过农杆菌介导的浸花法转入野生型植株，使其在野生型植株中过量表达，植物表现为镉耐受及镉积累的性状。

技术总结
本发明涉及一种改良植物镉耐受性状并促进镉积累的功能基因及应用，属于植物修复基因工程技术领域。将序列表SEQ ID No：l所示的增强植物镉积累及耐受的DNA序列转入植物中，所述植物为拟南芥。操作如下：将所述序列表SEQ ID No：l所示的增强植物镉积累及耐受的DNA序列通过农杆菌介导的浸花法转入至野生型拟南芥植株中，使其在野生型拟南芥植株中过量表达，植物表现出镉积累及耐受性状。研究表明，在镉胁迫处理下，过量表达的RBOHD基因能够促进拟南芥中PCs合成前体GSH1、GSH2、PCS1、PCS2相关基因的大量表达，从而增加GSH、PC的含量，将外界镉离子吸收并储存至植物液泡中，使植物表现出对镉胁迫耐受性状。本发明为农作物耐镉育种和植物修复土壤中镉污染提供技术支持。

技术研发人员：曹树青,宋慧,张景,陈逸凡,叶敏,吴席
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16