Rola genu NtZIP5 w tytoniu (Nicotiana tabacum) w regulacji homeostazy krzyżowej Zn i Cd

Cynk (Zn) jest niezbędnym mikroelementem, a kadm (Cd) jest wysoce toksycznym metalem ciężkim, który hamuje wzrost i rozwój roślin. U roślin homeostaza Zn i Cd jest ściśle ze sobą powiązana i zależy od wzajemnego stężenia obu metali. Homeostaza metali to zdolność do utrzymania optymalnych stężeń metali w komórkach i tkankach organizmów w zmieniających się warunkach środowiskowych. Rośliny kontrolują to poprzez procesy, takie jak pobieranie metali, załadunek i rozładunek w ksylemie oraz sekwestrację w wakuolach. W większości roślin Cd hamuje translokacje Zn, ale wstępne badania wykazały, że w tytoniu obecność Cd stymuluje translokację Zn do pędów, gdy rośliny rosną w ściśle określonych kombinacjach stężeń Zn i Cd. Towarzyszyła temu zmieniona ekspresja NtZIP5 w korzeniach. Postawiono hipotezę, że NtZIP5 może być zaangażowany w kontrolę homeostazy Zn/Cd oraz w translokację obu metali. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było zrozumienie roli NtZIP5 w regulacji homeostazy krzyżowej Zn i Cd. Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy doktorskiej wykazały, iż w genomie tytoniu obecne są dwie kopie genu NtZIP5 (NtZIP5A i NtZIP5B), które najprawdopodobniej pełnią podobną funkcję. Większość szczegółowych analiz prowadzono na kopii NtZIP5B. Wykazano, iż kodowane białko zlokalizowane jest w błonie komórkowej, a jego funkcją jest pobieranie Zn i Cu (miedź) ale także i Cd. NtZIP5B to gen, którego ekspresja indukowana jest w korzeniach deficytem kilku metali - Zn, Cu, Fe (żelazo) i Mn (mangan), a także modyfikowana obecnością Cd co potwierdza jego udział w regulacji homeostazy krzyżowej metali. Aktywność promotora NtZIP5B jest regulowana wieloma czynnikami transkrypcyjnymi związanymi m.in. z odpowiedzią na obecność metali w tym deficytu mikroelementów oraz na obecność fitohormonów. Dla określenia funkcji NtZIP5 wyprowadzono transgeniczne rośliny NtZIP5-RNAi z obniżonym poziomem transkryptu badanego genu. Potwierdzono udział NtZIP5 w regulacji homeostazy krzyżowej Zn/Cd, a analiza wzoru ekspresji wybranych transporterów metali wykazała, iż w tym procesie poza NtZIP5B zaangażowane są także inne geny z rodziny ZIP. Analizy poziomu transkryptu NtZIP1-like, NtZIP2, NtZIP4A, NtZIP4B, NtZIP5A, NtZIP5B, NtZIP5-like, NtZIP8, NtZIP11, NtIRT1, NtIRT1-like wykazała, iż ich ekspresja jest zależna od stężenia Zn i Cd, a także od części korzenia. Podzielono je na cztery grupy różniące się wzorem ekspresji w apikalnej, środkowej i nasadowej części korzenia w obecności kombinacji stężeń Zn i Cd. Szczególny udział w regulacji homeostazy Zn i Cd wykazano w przypadku genów NtZIP8, NtZIP1-like, NtZIP4A, NtZIP4B i NtIRT1, a także włączonym do analiz NtVTL Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy doktorskiej wykazały także, iż dystrybucja Zn i Cd wzdłuż korzenia głównego zależna jest od kombinacji stężeń obu metali w podłożu. Wynik ten sugeruje rolę części środkowej i nasadowej korzenia głównego w gromadzeniu nadmiaru Zn i Cd (gdy roślina rośnie w obecności wysokich stężeń metali), co najprawdopodobniej jest mechanizmem ochronnym części merystematycznej przed ich toksycznym działaniem. Niniejsza praca doktorska dostarcza licznych nowych danych na temat regulacji homeostazy Zn i Cd u roślin, jednak kolejne badania są konieczne do poznania pełnego mechanizmu odpowiedzi roślin na stres związany z obecnością metali.