我国土地重金属镉（Cadmium，Cd）污染严重，Cd在食物链中累积，直接或间接的影响农业生产和人类身体健康。由于重金属在土壤中具有隐蔽性、潜伏性、不可逆性、长期性、以及污染后果严重性等特点，使其成为环境污染防治的难点、热点和重点。新兴的生物修复（Bioremediation）技术由于其低成本、可持续的、对环境友好等特点，被人们逐渐关注并应用到重金属污染环境治理上。甜菜（Beta vulgaris L.）作为一种新兴的能源作物，具有生物量大、耐生物及非生物逆境强等特点，这使其成为重金属污染生物修复的优势作物材料。从环境保护、资源节约的角度出发，如果能够在受到重金属污染的边缘土壤上，种植抗性较好、且具有较强金属离子累积吸附能力的能源甜菜，既可为生物质能的开发提供大量的原料，同时因为能源甜菜具备生长迅速、高生物量、对土壤重金属有效的固定等特性，也能解决重金属环境修复的难题。 鉴于以上观点，了解能源甜菜的功能基因在镉逆境下的分子调控机制及其组织细胞表达特性，是甜菜生物技术研究以及植物育种专家创造有价值的、可以应用于重金属生物修复的能源甜菜的基础和首要目标之一。目前，针对能源作物中Metallochaperones的重金属逆境胁迫机制研究还未有报道，特别是针对甜菜---这一新兴的能源作物在重金属污染生物修复分子机制的研究上仍属于空白阶段。 植物Heavy metal-associated isoprenylated plant proteins（HIPPs）由于其独特的heavy metal associated domains（HMA）和isoprenylation motif的结构特点，使其成为一类最为重要的Metallochaperones，并在植物细胞重金属离子吸收、转运、区隔以及代谢平衡调控过程中发挥着关键的作用。在研究小组前期对能源甜菜在Cd逆境胁迫下转录组学的研究中发现，甜菜BvHIPP24的上调表达差异对于不同浓度的Cd的逆境响应极为显著，推测该基因很有可能在镉的解毒代谢以及区隔化中扮演着重要的角色。因此，本研究将首次以BvHIPP24为代表的甜菜重金属相关的异戊二烯蛋白为研究对象，首先对镉胁迫下能源甜菜幼苗形态、生理特性及超微结构进行研究，初步了解能源甜菜对镉胁迫的应答特点。其次从能源甜菜中克隆BvHIPP24基因，对该基因和基因家族进行生物信息学分析。观察烟草中的亚细胞定位确定BvHIPP24蛋白发挥功能的场所。通过镉胁迫处理能源甜菜对BvHIPP24基因进行表达模式分析。利用酵母表达系统对 BvHIPP24在酵母中镉胁迫下的耐受性进行分析。通过对镉胁迫下能源甜菜的应答特性以及 BvHIPP24功能进行初步探究，为进一步了解镉胁迫下能源甜菜的解毒机制和分子机制奠定基础。同时也为研究和开发能源甜菜独特的耐重金属基因资源提供了候选基因，为利用能源甜菜进行重金属污染生物修复以及生物质能研发奠定良好的理论基础。 除此之外，随着分子生物学和植物转基因技术的快速发展，通过基因工程手段将抗逆境相关的基因在植物体内扩增，使作物的抗逆性增强，不仅为开展分子抗性育种提供了依据，而且为改善作物产量和品质提供了一种新的研究思路。目前，虽然我国植物基因工程的遗传转化技术己基本成形，但利用遗传转化进行甜菜优异种质创新一直停滞不前。因此，本研究试图通过对不同类型的甜菜种质资源的生长点、叶柄以及叶片三种外植体进行愈伤的诱导，探寻高效率愈伤组织诱导和再生分化条件；同时对不同形态特征的愈伤组织进行细胞学形态的观察，确定甜菜愈伤组织的再生能力与细胞形态的关系，为建立甜菜植株再生体系提供细胞学理论基础。 本研究的创新之处在于，HMA金属结合域和异戊二烯化基序存在于几乎所有的物种中，但是只有在具有液泡的植物体中发现二者共存于一种蛋白内，而能源甜菜BvHIPP24就是这类功能蛋白。目前针对能源作物的金属伴侣蛋白的功能研究还未见报道，因此本研究具有一定的创新性。利用能源作物特别是甜菜的能源特性以及广泛的环境适应性和生物学特性进行重金属污染生物修复过程中，功能基因在细胞的生理生化和分子应答机制等的相关研究以及优异基因资源的开发，是实现重金属生物修复、边地利用以及生物质能开发之前迫切需要解决的问题，而在国内外相关的研究领域尚属空白阶段。 当前，全球范围内呈现出资源紧张短缺，若能从环境保护、资源节约的角度出发，选择一种合理有效的重金属修复方法显得异常重要，对实现人与自然的和谐发展也具有重要的实践意义。我国拥有广阔的可利用的边缘土地资源，其中，重金属污染土地更是重中之重。从长远来看，如果能够在受到重金属污染的土壤上，种植抗性较好的能源植物，既可为生物质能的开发提供大量的原料，同时因为能源植物具备生长迅速、高生物量、对土壤重金属有效的固定等特性，也能解决重金属环境修复的难题。利用污染土壤进行能源植物的开发将是解决生物质能源原料问题的一条有效途径。 在本研究的基础上，研究成果发表论文3篇，获得实用新型专利3项。

黑龙江大学

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