農(nóng)業(yè)資源研究中心在生物鎘響應(yīng)異型同功問題研究中獲進展

什么機制導致了生物的重金屬抗性？在漫長進化中，每種生物形成了復雜且高度特異的機制以應(yīng)對重金屬脅迫。傳統(tǒng)研究一般以單一基因或操縱子為目標，即“一個抗性一個基因（操縱子）”的研究邏輯。然而進入組學時代，科學家在眾多個體中開展了轉(zhuǎn)錄組或基因組層面的研究，發(fā)現(xiàn)對于重金屬響應(yīng)發(fā)揮關(guān)鍵作用的不僅是特異性抗性基因，還包括基礎(chǔ)代謝和全局調(diào)控因子，如最近頻繁報導的硫代謝通路。進化上復雜程度和生理機制迥異的不同界生物，在鎘脅迫響應(yīng)上是否有保守遺傳響應(yīng)機制？中國科學院農(nóng)業(yè)資源研究中心研究員李小方團隊近期通過毒理學試驗、比較轉(zhuǎn)錄組分析、基因組深度注釋以及傳統(tǒng)的功能基因組學方法結(jié)合，對三個跨界的模式物種（大腸桿菌、釀酒酵母和萊茵衣藻）在鎘脅迫下的保守調(diào)控基因和模型進行探索。相關(guān)研究成果以Cross-Kingdom comparative transcrip?tomics reveals conserved genetic modules in re?sponse to cadmium stress（通過跨界比較獲得的保守共調(diào)控鎘脅迫響應(yīng)代謝通路）為題，發(fā)表在mSystems上。

該研究中，科研人員對三個物種在鎘脅迫下的基因調(diào)控進行比較，找到了保守應(yīng)答途徑及相關(guān)基因。四種共有調(diào)控途徑與鎘脅迫相關(guān)，包括ROS反應(yīng)、硫代謝、細胞壁重塑以及金屬離子轉(zhuǎn)運，并將該保守性注釋到了基因家族層次。此外，該團隊提出通過基因功能互補性實驗驗證這些保守基因家族的進化相關(guān)性，并通過該實驗發(fā)現(xiàn)了新的鎘相關(guān)基因。模式微生物的功能基因注釋已經(jīng)漸趨完善，該方法能夠注釋到新基因，表明了跨界比較作為基因功能發(fā)現(xiàn)的可能性。

發(fā)現(xiàn)這些保守通路有什么用？在組學和基因編輯時代，這些共同機制可能較易應(yīng)用于生物工程菌株改造中，并更廣泛地應(yīng)用于生物修復中。該研究是跨界生物轉(zhuǎn)錄組比較的首次嘗試，表明遠源物種存在應(yīng)對脅迫的保守系統(tǒng)調(diào)控模式。

研究工作得到國家自然科學基金面上項目、河北省杰出青年基金和國家重點研發(fā)計劃項目的資助。