金属硫蛋白和植物螯合肽在植物重金属耐性中的作用

植物螯合肽和金属硫蛋白广泛存在于植物界中,它们对植物耐重金属特别重要,能够与重金属形成复合物,以缓解重金属对植物的危害。本文就这两种金属螯合蛋白的结构、生物合成和基因调控,以及在植物体内缓解重金属毒害的作用方面作了简要介绍。     

& 转录因子CBF在植物抗寒中的重要作用

低温能够诱导植物许多基因的表达,从而使植物具有抗寒性,这种现象称为冷驯化。对于植物冷驯化的分子机理,目前研究的最多的是CBF转录因子调控的信号转导途径,其作用途径可归纳为：CBF(C-repeat Binding Factor)转录因子→CRT/DRE(C-repeat /Dehydration Responsive Element)基序→COR基因表达→植物抗寒性增加。研究CBF转录因子在抗寒中的作用机制,能为提高植物的抗寒性,培育抗寒作物品种提供新方向。      

用基因诱捕法制作Ayu17-449基因敲除小鼠模型

为了探明Ayu17-449基因在小鼠生长发育过程中的功能, 用特殊的诱捕载体（Gene trapping vector）导入小鼠ES细胞中,5′RACE、Southern blot方法鉴定成功地单一捕获Ayu17-449基因后,由这种ES制作了Ayu17-449 敲除小鼠并用Northern blot方法该基因在突变小鼠体内的表达。结果在Ayu17-449 敲除小鼠体内,诱捕载体位于Ayu17-449基因的翻译起始密码上游,Ayu17-449基因的转录被抑制。表明Ayu17-449敲除小鼠为分析Ayu17-449基因的功能提供了可靠的实验材料。      

DREB转录因子研究进展

DREB转录因子即干旱应答元件结合蛋白质,它能特异结合启动子中含有 DRE/CRT 顺式元件,激活许多逆境诱导基因的表达,增强植物对逆境的忍耐力。介绍DREB转录因子与DRE顺式作用元件的关系,DREB 转录因子与 DRE 元件的结合特异性,DREB 的结构特点和功能,DREB 转录因子的表达调控,DREB 转录因子的克隆及鉴定等方面的研究进展,简述 DREB 转录因子对调控逆境诱导基因的表达具有非常重要的作用,在提高植物综合抗逆性方面将有巨大的应用前景。同时,指出 DREB 转录因子在信号转导、作用机理及基因表达等方面的复杂性。      

超富集植物遏蓝菜对重金属吸收、运输和累积的机制

遏蓝菜Thlaspi caerulescens可以在其地上部累积大量重金属如锌、镉等,是公认的超富集植物。由于该植物生物量小,不宜直接用于重金属污染的土壤植物修复,而被广泛作为一种模式植物来进行重金属富集机制研究。遏蓝菜对重金属离子的累积大致经过螯合剂解毒、地上部长距离运输以及在液泡中的储存等生理过程。已经发现的植物体内的金属螯合剂——有机酸、氨基酸、植物络合素(PCs)、金属硫蛋白(MT)和尼克烟酰胺NA等,区室化以及长距离运输相关的转运蛋白——ZIP(ZRT/IRTlike protein)、CDF(Cation diffusion facilitator)、Nramp(Natural resistance and macrophage protein)和HMA(Heavy metal ATPase)等家族,以上各种基因、多肽与蛋白等共同参与了植物对金属累积与耐受过程并发挥各自重要的作用。以下主要介绍了遏蓝菜重金属超富集相关的基因、多肽和蛋白,以及它们在重金属螯合作用和运输过程中的功能。     

植物金属硫蛋白研究进展(一)——植物MT的分类、特征及其基因结构

综述近年来有关植物金属硫蛋白及其基因的研究,介绍植物金属硫蛋白的结构特征,分类,各类型的特征及其基因结构。     

陆地棉SUPERMAN类似锌指蛋白基因的克隆与表达分析

锌指蛋白是生物体内数量最多的转录调控因子,它在动植物的生长发育中都起到十分重要的作用。SUPERMAN类锌指蛋白只含有1个锌指结构。我们根据这类蛋白的保守结构域设计简并引物,通过RT-PCR从棉花中获得了3个这个家族成员的EST,得到1个锌指蛋白基因的全长序列,该基因的编码区长744 bp,编码长248个氨基酸的多肽,其氨基酸序列与GenBank中登录的一个拟南芥RBE蛋白有40%的同源性。此基因被命名为GZFP。它含有保守的锌指结构并在多肽链的C-端具有富含亮氨酸的保守结构域,GZFP含有核定位信号并且没有内含子。GZFP基因在棉花花蕾、子房、花瓣和根中的表达量要高于木质部、韧皮部、叶片、纤维和种子。GZFP基因的表达量很低,在GenBank中没有任何和它同源的EST序列存在。对GZFP 5′侧翼区进行分析发现有数个花粉和根特异表达相关元件,4个与Dof蛋白作用的核心序列,4个与光诱导相关的元件。      

联会复合体——原发无精症发病中的重要角色

联会复合体(synaptonemal complex,SC)是一种减数分裂特异性超分子蛋白质结构,与减数分裂I(改罗文)中同源染色体的凝缩、配对、重组和分离密切相关。近年来,联会复合体的研究取得了一系列重要的进展,包括在其组成成分和功能上的一些新发现。在小鼠不育模型中联会复合体及其编码基因的异常可引起精子发生障碍。更重要的是,联会复合体编码基因之一SCP3单个碱基缺失导致的无精症已在人类原发不育患者中得到证实。对联会复合体基因SCP1的进一步研究也正在进行之中。      

苹果金属硫蛋白基因MdFjMT2克隆及生物信息学分析

以红富士苹果（Malus domestica CV Red Fuji）浓红型芽变和其条红母株为试材,构建抑制性差减杂交（Suppression Subtractive Hybridization,SSH）文库,差异筛选SSH-cDNA文库,经过大量测序构建成红富士苹果ESTs序列本地数据库,对本地数据库进行Blastn检索,得到42条金属硫蛋白基因MdFjMT2 cDNA片段,通过序列拼接和?逆转录PCR（RT-PCR）方法,获得了红富士苹果金属硫蛋白基因MdFjMT2全长cDNA序列（Genbank登录号为HQ730757）,该基因全长684 bp,其中5′ 非翻译区97 bp,3′ 非翻译区347 bp,开放阅读框（ORF）为240 bp,编码79个氨基酸,推测蛋白分子量为7.7938 kDa,理论等电点为4.75。该基因具有金属硫蛋白基因的典型结构域特征,编码的氨基酸序列中含有14个半胱氨酸残基Cys（C）,Cys 残基的排列特征是以CC、CXC和CXXC集中分布在肽链的N端和C端。系统进化分析表明MdFjMT2与砂梨（Pyrus pyrifolia）、苹果（Malus domestica）和小金海棠（M. xiaojinensis）等植物金属硫蛋白保持了较近的亲缘关系,与扁桃（Prunus dulcis）、旱柳（Salix matsudana）、美味猕猴桃（Actinidia deliciosa）等植物的亲缘关系较远。生物信息学分析结果表明,MdFjMT2主要位于叶绿体中,没有信号肽,是非跨膜亲水性蛋白,其蛋白质二级结构的主要元件是无规则卷曲,没有功能结构域。这些结果为MdFjMT2的结构与功能挖掘提供一定的参考。本研究结果有助于研究该基因在苹果着色中的作用,阐明苹果着色的分子机制。     

硫对土壤重金属形态转化及植物有效性的影响研究进展

生源要素硫在土壤中的化学循环不仅会直接影响土壤重金属元素的环境行为,也可通过调控植物根际微环境间接影响植物对重金属元素的吸收累积.土壤中的硫被植物根吸收后在植株中合成的有机硫化合物如植物螯合素(PCs)和金属硫蛋白(MTs)可与重金属形成毒性较低的络合物,构成植物重金属解毒的重要机制之一.我国部分土壤缺硫现象严重,为保证作物高质高产,硫肥的使用逐渐被重视,而硫与重金属的交互作用机制也逐渐成为研究热点.本文综合相关研究,介绍了硫在土壤中的生物化学转化,探讨了土壤硫的化学转化对土壤重金属形态转化及植物有效性的影响,并对今后硫在土壤重金属控制的应用提出展望.
     

Molecular biology of metal tolerances of plants

Abstract. The review discusses some of the important aspects of the molecular biology of metal tolerances in animals, fungi and plants. First, results of classical ecological and genetical studies are briefly outlined. The evidence for the occurrence and properties of metal-binding proteins (metallothioneins) and peptides (phytochelatins) in fungi and plants is described. It is concluded that at present there is no firm evidence to suggest that a protein homologous with the metallothioneins of animals and fungi occurs in plants. The discovery of phytochelatins, γ-glutarnyl peptides, containing only glutamic acid, cysteine and glycine, in plants is described and evidence for their role in heavy metal tolerance is assessed. The difference between sulphur metabolism in animals and plants and its relationship to heavy metal tolerances is discussed in terms of the occurrences of metallothioneins in animals and phytochelalins in plants. Future prospects for research in this area are outlined in terms of identification of plant genes coding for metallothioneins and for the enzymes involved in the synthesis of phytochelatins.     

植物对重金属耐性的分子生态机理

 植物适应重金属元素胁迫的机制包括阻止和控制重金属的吸收、体内螯合解毒、体内区室化分隔以及代谢平衡等。近年来,随着分子生物学技术在生态学研究中的深入应用,控制这些过程的分子生态机理逐渐被揭示出来。菌根、根系分泌物以及细胞膜是控制重金属进入植物根系细胞的主要生理单元。外生菌根能显著提高寄主植物的重金属耐性,根系分泌物通过改变根际pH、改变金属物质的氧化还原状态和形成络合物等机理减少植物对重金属的吸收。目前,控制菌根和根系分泌物重金属抗性的分子生态机理还不清楚。但细胞膜跨膜转运器已得到深入研究,相关金属离子转运器被鉴定和分离,一些控制基因如铁锌控制运转相关蛋白(ZIP)类、自然抵抗相关巨噬细胞蛋白(Nramp)类、P1B_type ATPase类基因已被发现和克隆。金属硫蛋白（MTs）、植物螯合素(PCs)、有机酸及氨基酸等是植物体内主要的螯合物质,它们 通过螯合作用固定金属离子,降低其生物毒性或改变其移动性。与MTs合成相关的MT_like基因已经被克隆,PCs合成必需的植物螯合素合酶(PCS), 即γ-Glu-Cys二肽转肽酶 (γ-ECS) 的编码基因已经被克隆,控制麦根酸合成的氨基酸尼克烟酰胺(NA)在重金属耐性中的作用和分子机理也被揭示出来。ATP结合转运器(ABC)和阳离子扩散促进器(CDF)是植物体内两种主要膜转运器,通过它们和其它跨膜方式,重金属被分隔贮藏于液泡内。控制这些蛋白转运器合成的基因也已经被克隆,在植物中的表达证实其与重金属的体内运输和平衡有关。热休克蛋白(HSP)等蛋白类物质的产生是一种重要的体内平衡机制,其分子机理有待进一步研究。重金属耐性植物在这些环节产生了相关响应基因或功能蛋白质,分子克隆和转基因技术又使它们在污染治理上得到了初步的应用。     

金属结合蛋白基因及其在清除重金属污染中的应用

一些微生物和植物由于对毒性金属具有独特的抗性机制,使得利用它们来清除日益严重的环境污染已发展成为一种十分有效的技术——生物修复。研究表明,不同的金属结合蛋白（如MT 和PC）,在生物忍耐和降解过量重金属毒性机制中起重要作用。愈来愈多的MT 和PC基因被克隆,并已成功地应用于生物遗传转化,这些转基因生物在清除重金属污染方面已显示出潜在的应用价值。 Abstract:Heavy metal pollution has become a global environmental hazard.The use of microorganisms and plants for the decontamination of heavy metals is recognized as a low lost and high efficiency method for cleaning up metal contamination.It shows that various metal-binding proteins such as metallothioneins (MTs) or phytochelatines (PCs) play an important role in defense systems and detoxification to heavy metals in organisms.Many genes of MTs and PCs have been cloned and utilized successfully in genetically modified bacteria and plants for increasing remediation capacity.These transgenic organisms have been displayed a great potential in bioremediation and phytoremediation of heavy metals.     

Toward a property/function relationship for metallothioneins: histidine coordination and unusual cluster composition in a zinc-metallothionein from plants

Early cysteine labeled (E(C)) proteins are plant metallothioneins, which were first identified in wheat embryos and are thought to be seed-specific. An exhaustive analysis of expressed sequence tag (EST) entries reveals that homologs are expressed in embryos of both classes of flowering plants (monocotyledons and dicotyledons), but also occur in conifers (gymnosperms) and seed-free spike moss (lycophyta). Mass spectrometric and elemental analysis results indicate that, contrary to the widely propagated number of five, E(C) binds predominantly six zinc ions in at least two zinc-thiolate clusters. 1H and 111Cd NMR experiments suggest that, in contrast to the majority of previously characterized metallothioneins, two conserved histidine residues participate in metal binding. The collected data is consistent with the presence of clusters unprecedented in metallothioneins so far. This novel cluster composition is accompanied by metal-binding properties that are substantially different from other metallothioneins; thus wheat E(C) binds zinc less strongly than either mammalian or cyanobacterial MTs. The unique biochemical properties of wheat E(C) render it ideally suited for a role in zinc donation to nascent proteins during seed development, a role that has been suggested based on the fact that E(C) is induced by the plant hormone abscisic acid, but not by heavy metals. Our results provide a step further toward developing a property/function relationship for metallothioneins.     

超富集植物吸收富集重金属的生理和分子生物学机制

与普通植物相比,超富集植物在地上部富集大量重金属离子的情况下可以正常生长,其富集重金属的机理已经成为当前植物逆境生理研究的热点领域．尤其是近两年,随着分子生物学等现代技术手段的引人,关于重金属离子富集机理的研究取得了一定进展．通过与酵母突变株功能互补克隆到了多条编码微量元素转运蛋白的全长cDNA;也从分子水平上研究了谷胱甘肽、植物螯合素、金属硫蛋白、有机酸或氨基酸等含巯基物质与重金属富集之间的可能关系．本文从植物生理和分子生物学角度简要评述超富集植物对重金属元素的吸收、富集、整合及区室化的机制．     

一氧化氮对植物重金属胁迫抗性的影响研究进展

一氧化氮(NO)作为一种重要的信号分子,在调节植物重金属胁迫抗性方面上起着非常重要的作用。综述了NO在植物体内的产生途径,重金属胁迫下植物体内内源NO含量的变化以及外源NO与内源NO对植物重金属胁迫抗性的影响。大量研究表明外源NO能够增强植物对重金属胁迫的抗性,一方面是通过增强植物细胞的抗氧化系统或直接清除活性氧,另一方面是通过影响植物对重金属的吸收以及重金属在植物细胞内的分布。然而内源NO在调节植物重金属胁迫抗性上的功能角色仍存在争议。有些研究表明内源NO是有益的,能够缓解重金属胁迫诱导的毒性;但是也有证据表明内源NO是有害的,能够通过促进植物对重金属的吸收以及对植物螯合素进行S-亚硝基化弱化其解毒功能,从而参与重金属诱导的毒害反应和细胞凋亡过程。     

植物螯合肽及其在抗重金属胁迫中的作用

植物螯合肽(PCs)广泛存在于植物体中,与植物抗重金属胁迫关系密切。植物螯合肽及其复合物是一类富含半胱氨酸的低分子量化合物。现有研究证明,PCS由谷胱甘肽(GSH)为底物的酶促反应合成,其合成受相关基因的调控,从模式植物拟南芥的突变体中已分离到与PCS合成有关的几个基因。植物螯合肽首先与重金属离子结合形成低分子量(LMW)复合物,以此形态经由细胞质进入液泡后,再与一个分子的植物螯合肽结合,形成对植物组织毒性较小的高分子量(HMW)复合物,从而达到缓解重金属对植物的危害作用。就植物螯合肽及其复合物的结构、生物合成、基因调控及重金属解毒机理等进行了综述,并对今后的研究方向提出了一些看法。     

Interaction of heavy metals with the sulphur metabolism in angiosperms from an ecological point of view

The metabolism of sulphur in angiosperms is reviewed under the aspect of exposure to ecologically relevant concentrations of sulphur, heavy metals and metalloids. Because of the inconsistent use of the term 'metal tolerance', in this review the degree of tolerance to arsenic and heavy metals is divided into three categories: hypotolerance, basal tolerance and hypertolerance. The composition of nutrient solutions applied to physiological experiments let see that the well-known interactions of calcium, sulphate and zinc supply with uptake of heavy metals, especially cadmium are insufficiently considered. Expression of genes involved in reductive sulphate assimilation pathway and enzyme activities are stimulated by cadmium and partially by copper, but nearly not by other heavy metals. The synthesis of the sulphur-rich compounds glucosinolates, metallothioneins and phytochelatins is affected in a metal-specific way. Phytochelatin levels are low in all metal(loid)-hypertolerant plant species growing in the natural environment on metal(loid)-enriched soils. If laboratory experiments mimic the natural environments, especially high Zn/Cd ratios and good sulphur supply, and chemical analyses are extended to more mineral elements than the single metal(loid) under investigation, a better understanding of the impact of metal(loid)s on the sulphur metabolism can be achieved.