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外源H2S调节水稻碳氮互作促进SCN-降解的分子机制

申报人：韦晓蕾 申报日期：2025-04-29

基本情况

2025年批次
外源H2S调节水稻碳氮互作促进SCN-降解的分子机制 学生申报
创新训练项目
工学
环境科学与工程类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
植物通过不同途径转化SCN−产生的代谢产物（NH3和H2S）可作为其生长所需营养物质。其中，H2S是植物体内重要的气体信号分子，能与其他信号分子（如NO、CO、 ROS和植物激素）互作，促进种子萌发、延缓植物衰老、调节光合系统及缓解非生物胁迫。目前，国内外针对不同胁迫下（污染、高温、干旱、盐胁迫）外源施加H2S调控作物（水稻、小麦、大麦、玉米、大豆）生理生化特性和分子应答做了大量研究，然而关于H2S促进水稻代谢SCN−机制的研究还鲜有报道。 因此，该研究选题的目的是深入解析外源H2S对水稻碳氮互作的调节机制，揭示其在降解SCN−毒性中的具体作用，为环境修复、农业生产和植物工程提供理论和实践的指导。 这有助于开发更有效的SCN−污染治理策略，提高水稻的抗逆性和产量。
项目负责人自入学来一直担任环境工程中心实验室的助理，熟知实验室的管理制度，能够熟练使用实验室相关仪器设备，动手操作能力较强；工作上严谨认真，能够以科学的态度看待问题，关注环境问题尤其是与日常生活息息相关的周边环境问题。曾参与了2024年国家级项目“基于非损伤微测技术评价抗生素对青鳉的毒性影响与机制研究”，掌握了行为学实验等各项实验的基本操作和原理，有一定的创新能力与刻苦钻研的精神，对科研具有较大的兴趣，也为本项目的开展奠定了扎实的专业基础。此外，本人还担任了环院团委、学生会科技部负责人和班级心理委员的职务，曾被评为优秀学生干部和工作先进个人，有较强的团队领导能力和组织能力，具备负责完成本项目的能力。
1.国家自然科学基金青年基金项目，脯氨酸驱动水稻细胞壁伸展蛋白-果胶交联降低铬毒性的机制研究（项目批准号：42207434，起止时间：2023-01至2025-12，主持）
2.广西自然科学基金青年科学基金项目，外源脯氨酸优化水稻细胞壁结构增加其对铬的阻控力和耐受性的分子机制（项目批准号：2021GXNSFBA075041，起止时间：2021-04至2024-03，主持）；
3.国家自然科学基金地区项目，水稻降解外源氰化物(CN−)生化反应“热区”定位及靶向调控CN−降解途径的机理研究（批准编号：42277361，起止时间：2023-01至2026-12）
4.国家自然科学基金面上项目，外源氰化物（CN−）作为植物生长辅助氮源对水稻幼苗脯氨酸合成和代谢的影响（项目批准号：41877493，2019-01至2022-12，主要参与人）；
5.国家自然科学基金地区项目，水稻幼苗对外源硫氰化物污染的吸收、转化和降解机理的研究（项目批准号：41761094，2018-01至2021-12，主要参与人）
6.广西自然科学基金重点项目，铬胁迫水稻幼苗脯氨酸合成与代谢过程中电子传递关键基因的响应机制研究（项目批准号：2018GXNSFDA281024，2019-01至2022-12，主要参与人）
7.广西自然科学基金青年科学基金项目，硫化氢与活性氧信号“交叉对话”提高水稻对硫氰化物（SCN-）胁迫的抗性研究（批准编号：2022GXNSFBA035550，起止时间：2022-04至2025-03，主要参与人）
指导教师基于主持的国家自然科学基金青年基金项目，为项目的开展提供实验场所、实验设备和必要的实验材料，指导学生开展实验，教授相关的实验技能，强调项目开展相关的注意事项，培养学生实验过程中的安全意识，注重锻炼学生的实验操作、科研思维和写作能力，开拓学生的学术视野，提高学生的学术热情。此外，指导教师在研究环境毒理学及植物逆境生理学方面具有丰富理论储备和实践经验，能很好地指导团队成员完成项目研究。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
韦晓蕾 环境科学与工程学院 环境工程 2023 设计优化实验方案，规划组织开展实验，撰写结题报告
肖继蕾 环境科学与工程学院 环境工程 2023 参与实验并优化实验方案，撰写结题报告
李世豪 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2024 开展实验及实验数据的处理分析
葛从浩 环境科学与工程学院 环境工程 2024 开展实验并制备实验所需试剂

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
林钰涓 环境科学与工程学院 否
张庆 环境科学与工程学院 否

立项依据

本研究针对农田含N污染物（SCN−），提出利用H2S信号分子调控“氮泵”RuBisCO促进水稻代谢SCN−的科学假设。通过研究外源H2S对SCN−胁迫水稻RuBisCO固碳效率、氮代谢关键过程及SCN−吸收和代谢过程的影响，从分子水平解析外源H2S调节水稻碳氮互作促进SCN−降解的机制，为含N污染物处理的资源化提供科学依据，为高效利用污染土壤生产高质量农产品提供新的思路。
（1）外源H2S介导RuBisCO调节水稻光合固碳的机制
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻幼苗叶片光合作用参数、RuBisCO酶活性及基因表达水平的变化。
（2）外源H2S介导RuBisCO调节水稻氮代谢的分子机制
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻氮代谢关键酶硝酸还原酶（NR）、硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）谷氨酰胺合成酶（GOGAT）以及谷氨酸脱氢酶（GDH）的基因表达。
（3）外源H2S介导水稻碳氮平衡对 SCN−代谢的影响机制
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻对SCN−的吸收量、水稻不同部位 SCN−富集量，阐明外源H2S介导水稻碳氮平衡对 SCN−代谢的影响机制。
（1）SCN−可以作为植物的“潜在氮源”
土壤肥料（有机氮和无机氮）矿化、固氮菌对空气中氮气的固定是植物获取氮素的主要来源[1]。近年来，含氮污染物的不断输入为区域农业生态安全带来了新的挑战，其中可生物代谢的污染物（如SCN−）做为植物生长“潜在氮源”的研究为污染物的资源化利用提供了非常好的应用前景[2,3]。研究发现：水稻中13C和15N含量随着KS13C15N暴露浓度的 增加而增加，“CNO途径”和“COS途径”是水稻中SCN−代谢的主要途径，其代谢产物NH3可参与植物氨基酸循环[2,3]；研究NO3-和NH4+培育的水稻对SCN−代谢、N吸收转运和代谢、N利用效率和生物量累积的影响，发现SCN−作为NO3-培育水稻幼苗生长辅助氮源的效果优于NH4+，NO3-对SCN−胁迫水稻生物量累积的促进作用强于NH4+[4]。这些研究均证实了SCN−作为水稻生长“潜在氮源”的可能性。但是近期的研究也证实：较高浓度SCN− （>96 mgSCN/L）会造成水稻体内碳氮代谢失衡，影响作物生长发育[5]。
（2）外源H2S对污染胁迫下植物碳同化的调节作用
H2S可通过直接和间接作用降低污染胁迫（主要是重金属和有机污染物）对植物光合 固碳系统的影响。直接作用主要包括：（1）H2S作为还原剂直接清除ROS（如H2O2、O2·-、OH·），降低ROS在叶绿体内和其他细胞器的累积，减少ROS对光合系统的影响[6,7,8]。（2）H2S可以对叶绿体内蛋白活性Cys残基进行巯基化修饰，介导植物光合系统对污染胁迫的适应[6,9]。间接作用主要包括：（1）H2S通过调节细胞内酶类抗氧化物（超氧化物歧化酶、过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶）活性和非酶类抗氧化物（谷胱甘肽、抗坏血酸、酚类化合物、黄酮化合物和花青素）含量，降低ROS累积，进而缓解氧化胁迫对光合系统的损伤[10-12] ；（2）H2S可以显著提高植物净光合速率、电子 传递效率、叶绿素含量，上调RuBisCO和Rubisco活化酶（RCA）基因表达水平，提高 RuBisCO 羧化效率，从而促进污染胁迫植物的光能利用效率和光合固碳效率[13,14]。研究发现：外源H2S可以加速SCN−胁迫水稻光合PSII修复周期中磷酸化、去磷酸化和新合成的D1蛋白过程来增加D1蛋白的周转速度，从而减轻SCN−对D1蛋白的破坏，提高水稻光 合固碳效率[15]。然而，外源H2S如何介导SCN−胁迫下水稻光合天线系统的优化？如何改善RuBisCO的光合固碳效率？这些过程的调控机制亟待系统深入地进行专题研究。
（3）外源H2S对污染胁迫下植物“氮泵”RuBisCO的调控
碳氮代谢是各种生物生存和生长所必须的，而植物通过精细调控碳氮代谢平衡来适应不同的生长环境。RuBisCO不仅是植物光合作用反应固定CO2的关键酶，也是植物体内含量最丰富的蛋白质。然而，RuBisCO每秒大约只能羧化3.3个1,5-二磷酸核酮糖（Rubp），其效率之低在植物酶促反应中也极为少见[16,17]。植物为了弥补RuBisCO催化效率低的问 题而将叶片中50%的氮用来合成RuBisCO，导致植物氮素（NO3-和NH4+）利用效率较低[16,17]。正常情况下，RuBisCO 能够利用CO2生成3-磷酸甘油酸，并进入三羧酸循环生 成α-酮戊二酸（2-OG），而2-OG可以作为碳骨架与氮源进一步合成氨基酸等重要分子。污染胁迫导致CO2利用效率降低，RuBisCO则利用O2生成2-磷酸乙醇酸（2-PG），从而进一步加剧碳氮失衡[18]。研究发现：外源H2S不仅能够增加胞间CO2浓度，提高 RuBisCO 对CO2的催化效率，增加非结构性碳水化合物合成，还能使更多的氮分配到 其他组织，提高植物的氮素利用效率[15,19,20]。外源H2S能促进植物的光合作用及其对 NO3-的吸收，使低N条件下植株干物质量增加，显著提高叶片可溶性蛋白、总氮及叶 绿素含量。外源H2S处理后，低N水平下叶片硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS） 以及谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性显著增加[21]。此外，基质中pH、Mg2+、RuBisCO 活化酶（RCA）的浓度也是RuBisCO的重要调节物质。

参考文献：
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本项目通过生理生化和分子生物手段研究外源H2S介导SCN−胁迫下水稻RuBisCO光合固碳效率的影响机制，探讨外源H2S介导SCN−胁迫下水稻RuBisCO和SCN−代谢的潜在联系，以期从碳氮互作的角度揭示外源H2S 促进水稻代谢SCN−的分子机制，为高效利用污染土壤生产高质量农产品提供重要理论依据，在研究内容与成果方面目前未见或鲜有报道。
技术路线
2.实验方案
（1）根据国家水稻数据中心（http://www.ricedata.cn/gene/index.htm）、日本农业生物资源研究所构建的水稻注释项目数据库（RAP-DB, http://rapdb.dna.affrc.go.jp/）和密歇根州立大学的水稻基因组注释项目数据库（MSU-RGAP, http://rice.plantbiology.msu.edu/）筛选出①RuBisCO合成调控基因：OsrbcL1、OsRBCS1、OsRBCS2、OsRBCS3、OsRBCS4；②氮代谢关键酶调控基因：硝酸还原酶（NR，OsNIA1、OsNIA2、OsNR1），亚硝酸还原酶（NiR，OsNiR1、OsNiR2、OsNiR3），谷胱甘肽合成酶（GS，OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3、OsGS2），谷氨酸合成酶（GOGAT，OsNADH-GOGAT1、OsNADH-GOGAT2、OsNADPH-GOGAT、OsFd-GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH，OsGDH1、OsGDH2、OsGDH3、OsGDH4）。
（2）利用Primer5.0软件对以上基因进行引物设计，选择水稻GAPDH（LOC_Os08g03290.1）作为内参基因，采用RT-qPCR分析基因表达量。
（3）采用Yxin-1105便携式光合荧光仪和YX-11KZ型光合仪控制包组合测定水稻幼苗光合作用参数。
（4）采用离子色谱仪测定水稻幼苗对SCN−的吸收、富集和分布：水稻幼苗进行不同浓度梯度（0、24.0、96.0、300.0 mg/L）SCN−和“H2S+ SCN−”胁迫3天后，分成根部和叶部，在10.0 mL 50 mM pH 7.5的Tris-HCI缓冲液（含50 mM HEPES、50 mM蔗糖、5mM柠檬酸和1 mM二硫苏糖醇）中冰浴研磨成匀浆。在上述提取物中各加入5.0mL 0.1M的柠檬酸溶液涡旋混匀后超声处理1h，重复该过程1次。各样品组分离心后，取上清液，并在旋转蒸发仪中将样品浓缩至2 mL并过滤后，用离子色谱仪（Dionex ICS-3000）测定各提取物中的SCN−含量。并用离子色谱测定水稻幼苗培养前、后胁迫液中SCN−的含量。
3.拟解决问题
（1）明确外源H2S对水稻Rubisco光合固碳效率和氮代谢关键过程的影响；
（2）通过分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻对SCN−的吸收量、水稻不同部位 SCN−富集量，从分子水平分析碳氮平衡对SCN−的影响阐明其影响机制。
4.预期成果
发表学术论文1篇（或申请专利1项），撰写结题报告1份。
第一阶段（2025年5月－2025年6月）
查阅相关文献，深入研究实验背景以及已有的研究成果。
第二阶段（2025年7月—2025年8月）
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻幼苗叶片光合作用参数、RuBisCO酶活性及基因表达水平的变化。
第三阶段（2025年9月—2025年11月）
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻氮代谢关键酶硝酸还原酶（NR）、硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）谷氨酰胺合成酶（GOGAT）以及谷氨酸脱氢酶（GDH）的基因表达。
第四阶段（2025年12月—2026年2月）
分析SCN−处理和H2S+ SCN−处理水稻对SCN−的吸收量、水稻不同部位 SCN−富集量，阐明外源H2S介导水稻碳氮平衡对 SCN−代谢的影响机制。
第五阶段（2026年3月—2026年5月）
分析和处理实验数据，总结实验结果，撰写结题报告和论文，提交材料。
与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
（1）本项目团队成员作为实验室助理，负责协助教师开展学院各项实验课程的准备工作，掌握了基本的生物和化学实验方法，具有良好的实验技能。
（2）我们在研究过程中也发现：较高浓度SCN−（>96 mg SCN/L）会抑制植物对营养元素的吸收、干扰其光合系统碳代谢、诱导氧化胁迫，从而导致作物产量和品质下降。
（3）SCN−的代谢产物NH3可参与水稻氮循环；而外源H2S可促进SCN−代谢有关基因上调表达，提高水稻对SCN−的代谢能力。植物的碳同化能力增强，会加快生物量累积，增加对氮素供给的需求。而合成RuBisCO需要消耗植物叶片50%左右的氮素。
已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
实验室具备电感耦合等离子发射光谱（ICP-AES）、紫外分光光度计、漩涡混凝器、电子天平、荧光定量PCR仪、凝胶电泳仪、冷冻离心机、振荡器、灭菌锅、-80℃和-20℃冰箱等本项目所需仪器设备。所需试剂、药品和耗材等都能购得，具备测定并分析SCN−处理、H2S+SCN−处理水稻对SCN−的吸收量、水稻不同部位 SCN−富集量等一系列生物和化学实验操作方法均为导师课题组成熟的方法体系，可保证本项目的顺利开展。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 无 2200.00 2800.00
1. 业务费 1800.00 无 1000.00 800.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1600.00 外出调研、学习 1000.00 600.00
（4）文献检索费 200.00 文献检索 0.00 200.00
（5）论文出版费 0.00 无 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 3200.00 购买实验试剂和耗材 1200.00 2000.00
结束

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