Modulation of gene expression in roots of lupine (Lupinus luteus) and soybean (Glycine max) seedlings exposed to cadmium and lead

Wydział Biologii: Instytut Biologii EksperymentalnejToksyczne czynniki środowiska, w tym metale ciężkie, wywołują w organizmach eukariotycznych szereg zmian morfologicznych, fizjologicznych i biochemicznych. Celem pracy było poznanie regulacji genów indukowanych w obecności metali ciężkich w korzeniach siewek dwóch gatunków roślin motylkowatychych: soi (Glycine max cv. Nawiko) i łubinu (Lupinus luteus cv. Juno) traktowanych przez 48 godzin jonami kadmu (0-25 mg/l) i ołowiu (0-350 mg/l). Badania obejmowały identyfikację białek metodą spektrometrii mas, analizę poziomu kodujących te białka mRNA metodą RT-PCR, analizę aktywności odpowiednich białek enzymatycznych lub pomiary zawartości odpowiednich metabolitów wtórnych. Badania pozwoliły na identyfikację licznych białek biorących udział w reakcji roślin na stres metali ciężkich, w tym: histonów H2B, H2AX, H4, syntazy sacharozowej, syntazy metioniny, syntazy chalkonowej, dehydrogenazy aldehydu-3-fosfoglicerynowego, białek HSP oraz helikazy. Uzyskane wyniki sugerują, że w odpowiedzi roślin na działanie jonów metali ciężkich biorą udział białka należące do różnych szlaków metabolicznych. Niektóre z tych procesów należy zaliczyć do uniwersalnej odpowiedzią roślin na stres, natomiast inne są specyficzne dla danego metalu. Ekspresja genów indukowana metalami cieżkimi podlega kontroli na poziomie transkrypcji jak i potranskrypcyjnie. Reakcja roślin na czynnik stresowy zależy od rodzaju metalu, dawki oraz gatunku rośliny. Uzyskane wyniki wskazują, że rośliną mogą przetrwać w środowisku zanieczyszczonym metalami ciężkimi dzięki skoordynowanej sieci procesów molekularnych, które są często specyficzne dla określonego gatunku .Heavy metals, such as cadmium and lead, have become a serious environmental problem leading to toxic effects in plants and dangerous health effects. The aim of this thesis was the identification of metal-induced proteins in two plant species: soybean (Glycine max cv. Nawiko) and yellow lupine (Lupinus luteus v. Juno) as well as the analysis of respective genes expression on the different level of their regulation. The stress responses to heavy metals were analyzed in plants treated for 48h with Pb2+ (0−350 mg/l) and Cd2+ (0−25 mg/l) ions. This research includes: the gel electrophoresis of protein extracts induced by Cd2+ or Pb2+ followed by mass spectrometry, the analysis of genes expression coding selected proteins on the level of transcription by RT-PCR and the analysis of either enzyme activity or respective metabolites content. Several metal-induced proteins such as histone proteins (H2B, H2AX, H4), sucrose synthase, methionine synthase chalcone synthase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, heat shock proteins and helicase were identified. The obtained data suggest that the events evoked by the heavy metals involved several proteins from various metabolic pathways. Some of these processes constitute a general plant stress response and are not solely specific to metals actions. The expression of genes induced by metals is controlled at transcriptional or posttranscriptional level. Furthermore, the specific plant reaction to stress factors depended on the metal ion, dose and plant species. It is concluded that a coordinated network of species-specific molecular processes allow plants to survive in metal-containing environments