[发明专利]一种重金属镉抗性相关的基因LakeGST1及其应用

说明书

 技术领域

本发明属于基因工程技术领域和生物修复领域，具体涉及一种重金属镉抗性相关的基因LakeGST1及其应用。

背景技术

随着矿产资源的开发利用以及工业的发展，重金属对环境造成的污染日趋严重，土壤重金属污染已经成为一个危害全球环境质量的问题。土壤重金属会影响植物的生长发育，降低农作物的产量和质量，带来了严重的经济损失。此外，受土壤重金属污染的作物在植物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病。治理重金属污染刻不容缓，各种修复技术和措施正在研究和应用中。各国政府和科学家着力通过两个途径解决这一问题：一为利用物理的、化学的方法试图清除土壤或水体的重金属污染：二为利用现代生物技术清除污染。自从20世纪80年代以来，生物修复技术因其具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点，越来越受到广大科技人员的广泛关注。生物修复一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型，其中植物修复和微生物修复是研究的热点。微生物修复就是利用微生物将环境中的污染物降解或转化为其他无害物质的过程。近年来，基于微生物对重金属的作用机理，以修复有毒有害金属污染或回收有经济价值重金属为目的的生物处理技术日趋成熟。植物修复指利用植物去治理水体、土壤和底泥等介质中的污染的技术。然而用于重金属污染修复的生物往往会受到重金属的毒害，生长缓慢、生物量小，甚至不能生存，所以重金属对植物和微生物的毒害作用是生物修复的主要限制因素。

解决生物修复中重金属对生物的毒害作用的根本途径在于研究耐受重金属的分子生物学机制，克隆对重金属耐受的关键基因，通过基因工程手段获得用于生物修复中性能优良的转基因工程生物。

由于技术上的原因，直到最近，对微生物基因资源的利用主要局限于可培养微生物。然而，已培养微生物仅占自然界中微生物的不到1%，因此各种生境中的微生物宏基因组是一个巨大而未发掘的基因资源库。极端环境具有丰富的微生物资源，当中许多与逆境和关键生命过程相关的基因在长期的适应进化中获得了更强的耐性潜能，发掘这些抗性基因已成为国际重要的研究热点。酸性矿山废水(AMD)是极端生境微生物学研究的重要系统。AMD来源于采矿活动使含硫矿物(主要为黄铁矿, FeS₂)暴露于空气和水中，在微生物催化作用下迅速氧化产酸所致，其pH值一般在1- 4左右，而且富含硫酸盐以及Pb、Zn、Cu、Cd和Ni等重金属，是采矿业面临的最严重环境问题之一。在AMD中生存的原核微生物在长期的进化过程中逐渐形成了一些独特机制，以应对低pH值、高盐度以及高重金属等多种极端环境协迫。因此，AMD生境成为极具特色和丰富的抗逆基因库。

谷胱甘肽S转移酶 （GSTs，EC 2.5.1.18）是一个多功能蛋白家族，它在细胞对许多的外源和內源的毒性物质的解毒作用中起着重要作用。1970年，Frear和Swanson等人首次从玉米中发现了GST，随后研究者又从许多其他植物和高等生物中分离到了GST。GST家族由许多细胞质GST，线粒体GST和MAPEG组成。GST广泛分布在真核生物和原核生物中，在不同生物内GSTs的类型也不同：α, μ, π, θ,σ, ζ 和 ω 存在于哺乳动物中, φ和τ 在植物体内存在, δ分布在昆虫中，β存在于细菌中。哺乳动物的细胞质GSTs都由二聚体组成，每个GST亚基大小在22-30kDa之间，由氨基端的α/β结构域和羧基端的α螺旋结构域组成。每个亚基上都有一个独立的配体结合位点：一个谷胱甘肽结合位点（G位点），一个疏水底物结合位点（H位点）。

GSTs 能催化GSH 的巯基与多种亲电底物的结合，生成水溶性的产物，从而降低底物的毒性。另外，GSTs还能充当过氧化物酶，异构酶和硫醇转移酶的作用。Yang等在2001年发现GSTs有助于细胞抵抗脂质过氧化作用。Cancado等人也发现玉米中GST27.2对于抵抗铝毒害发挥着重要作用。Adamis等人发现酵母在镉胁迫下，GTT1和GTT2（酵母中GTT1和GTT2编码有功能的GST）在镉解毒机制中起着不同的作用：相比野生型酵母，gtt2Δ表现出对镉较高的抗性，而gtt1Δ则表现出较低的抗性。Won最近发现沙蚕GSTs的表达量和活性随着镉浓度的升高而升高，这意味着GSTs可能在细胞抵抗镉毒害过程中起着重要作用。

然而，迄今为止GST基因在微生物中对重金属镉抗性究竟起什么作用仍不清楚，也没有从AMD微生物中克隆到GST基因的报道。AMD中重金属含量极高，那么AMD微生物中哪些基因对重金属抗性起着关键作用？GST基因是否对AMD微生物的生长和生存起着重要的作用？这些问题仍然尚待解决。