活力环资青春颂|湘潭大学环境与资源学院刘娜副研究员

文章来源: 发布时间:2022-12-20浏览次数:

编者按:

青年强,则国家强。青年教师是高校教师队伍的重要力量,关系着高校发展的未来,关系着人才培养的未来,关系着教育事业的未来。

环境与资源学院青年教师传承“牢记嘱托、艰苦创业、追求卓越”的湘大精神,瞄准生态环境领域前沿,立志做有理想、敢担当、能吃苦、肯奋斗的新时代好青年,为国家推进能源革命、加快发展方式的绿色转型提供人才与科技支撑,用奋斗在新征程的火热实践中绽放绚丽之花。

聚焦教学科研,促进学院发展。本期“活力环资青春颂”让我们走近刘娜副研究员。

刘娜,湖南湘潭人,工学博士,副研究员,硕士生导师。201811于浙江大学环境与资源学院从事博士后研究工作。20222月入职湘潭大学环境与资源学院。主要从事环境化学、环境毒理学等方面的教学科研工作。

教学方面,主讲环境类本科专业《环境化学》基础课程,授课遵循目标导向和问题导向,注重教研结合、案例分析和课程思政元素的融入;课堂互动积极,学用结合,极大地激发了学生的学习兴趣,课堂教学效率高;兼重学生逻辑思维和创新思维能力的培养,积极指导学生开展认识实习等实践教学活动,深受学生欢迎。荣获湘潭大学环境与资源学院课程思政教学比赛一等奖(2022年)。在2022年新入职专任教师面试试讲中,展现了“青椒”老师优良的教学素养和精神风貌,收获评委专家们的一致好评。

 

科研方面,主要从事环境污染物界面行为及生物效应领域的研究研究方向紧密结合我国保障水/土壤环境质量的重大战略需求,围绕水/-植物系统中有机污染物迁移累积及其生物效应等前沿科学问题,联合多组学技术、生物信息学技术和计算模拟等,从细胞信号传导、污染物与生物大分子互作等层面阐明有机污染物对植物代谢的影响及分子机制。主持或完成了国家自然科学青年基金、中国博士后面上项目、中国博士后站中特别资助项目、湖南省教育厅优秀青年项目等多项课题作为骨干成员,参与国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目湖南水稻产区土壤复合污染多介质环境行为、生物效应与阻控机制2022~2026年,第五)。已在Environ. Sci. Technol.J. Hazard. Mater.Bioresour. Technol.等期刊上发表SCI论文20余篇,多次获邀在全国性学术会议/论坛上作口头报告荣获2020年湖南省自然科学三等奖(第二完成人)。担任Eco-Environment & HealthEEH青年编委,Environ. Pollut.Chemosphere等学术期刊审稿人。近年来完成的代表性研究成果如下:

有机污染物诱导植物启动防御系统及其机制

环境污染物是限制植物生长发育的重要胁迫因子。植物在感知环境胁迫后,会启动防御系统关键基因的表达,激活相应的代谢调控途径,形成一系列对环境变化的主动适应机制,以缓解胁迫造成的伤害。研究发现土壤有机污染物,如多氯联苯、农药、多溴联苯醚等会诱导水稻启动CYP450酶、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs和苯丙烷代谢等防御系统,以抵抗污染物胁迫;基于转录组和RT-qPCR技术筛选鉴定出主要的CYP450家族基因CYP76MsCYP72As)、GSTs家族基因(GSTU48GSTU6)和苯丙烷代谢的抗氧化酶编码基因OsPRX78CAD7CCR1);通过关键基因表达量的动态变化探明了水稻抵抗有机污染物胁迫的防御动力学及机制。该研究为评价有机污染物的毒性效应提供科学依据,对提高作物抵抗污染物胁迫具有指导意义Environ. Sci. Technol., 2021, 55, 4889−4898

1 有机污染物诱导水稻防御系统激活及机制

有机污染物胁迫下植物代谢响应及分子机制

环境污染物胁迫超过植物的防御能力时,会影响关键基因和蛋白表达变化,改变代谢通路,影响代谢物组成。生物体中内源性代谢物(如糖类、氨基酸、脂肪酸、次级代谢物等)的整体变化是代谢途径中关键基因表达或酶活性变化的最终表现。通过收集环境污染物暴露细胞或组织中特定阶段或生理状态的基因谱、蛋白谱和内源代谢谱,可以探索污染物的毒理作用及内在机制。

1)能量代谢响应

从藻类光合性能及超微结构角度探讨了阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)对小球藻光系统IIPSII光合活性的影响,明确了CTACPSII的抑制作用主要发生在放氧复合体(OEC上;基于蛋白组学技术进一步证类囊体膜PSIICTAC的关键作用部位,并导致OEC外周蛋白光放氧增强蛋白(PsbP)活性下降;通过电子自旋共振、时间分辨荧光光谱等技术明确CTAC阻碍了OECS1→S2电子传递并与放氧复合体中Ca2+的耗散有关。研究结果为评价表面活性剂的环境生物效应提供科学依据,对通过调控光合作用等关键步骤来提高藻类的脱氮除磷效率具有指导意义。Bioresour. Technol. 2015. 190: 307–314Bioresour. Technol. 2016. 220: 246–252Chemosphere. 2019. 223: 659-667J. Hazard. Mater. 2020. 383. 121063

2 表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵的光合胁迫机理

2)初级代谢响应

探明了多种有机农药水稻代谢的影响及分子机制。发现草胺类农药显著影响淀粉和蔗糖代谢关键基因的表达。与叶绿体中淀粉合成关键酶编码基因表达下调,与蔗糖分解有关的编码基因表达上调,导致淀粉粒分解,蔗糖等糖类含量下降,单糖含量升高有机磷杀虫剂(如毒死蜱等)显著影响氨基酸代谢关键基因的表达。参与谷氨酸代谢酶编码基因表达上调,从而导致可溶性蛋白减少,游离氨基酸含量升高三唑类杀菌剂显著影响脂质代谢关键基因的表达。参与脂质运输的油体膜蛋白等编码基因表达上调,导致油体分解,饱和脂肪酸含量降低,不饱和脂肪酸含量升高。研究为保障农产品安全及品质提供理论依据。Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 6115−6124

3 农药暴露后水稻代谢响应及关键基因表达变化

3)次级代谢响应

新烟碱类杀虫剂(如吡虫啉、噻虫嗪、噻虫胺)显著抑制苯丙烷代谢途径,导致抗氧化能力下降,氧化损伤增强。通过转录组和RT-qPCR证实参与苯丙烷代谢的苯丙氨酸解氨酶和4-香豆酸辅酶a连接酶编码基因表达下调参与黄酮生物合成的查尔酮合酶编码基因以及参与木质素合成的肉桂酰辅酶a还原酶、肉桂醇脱氢酶和过氧化物酶等酶编码基因表达均显著下调,从而导致非酶抗氧化物如黄酮、木质素等含量下降,影响水稻的抗氧化能力。

4 新烟碱杀虫剂胁迫下水稻苯丙烷代谢的响应机制

有机污染物与靶蛋白互作对植物代谢的影响及机制

环境污染物与生物靶点上的大分子(蛋白质、核酸等)结合是导致植物新陈代谢变化的重要途径。阐明污染物与生物大分子的相互作用、效应及机制是破解环境污染物生物效应的理论关键之一。

126S蛋白酶体介导的蛋白泛素化调节

生物体内蛋白质水平受到泛素-蛋白酶体系统(UPS调控,该系统在一系列连接酶的作用下对底物蛋白进行泛素(Ub)标记,被标记的蛋白可被26S蛋白酶体识别和降解。普遍认为环境胁迫(如高温、高盐、干旱等)诱导的26S蛋白酶体丰度变化是控制蛋白质水平的主要调节机制。但这种调控的分子机制在很大程度上仍未探知,特别是应对环境污染物的胁迫。研究发现小分子毒死蜱诱导26S蛋白酶体本身的泛素化下降,使蛋白活性增强,导致蛋白质降解增强,非必需氨基酸含量升高;通过泛素化蛋白组学、动力学模拟和谱学技术证实了26S蛋白酶体RPT四聚体亚基(RPT1/RPT2-RPT3/RPT6)是影响整个代谢通路的关键蛋白,毒死蜱及其同系物能通过氢键作用RPT亚基形成稳定复合物。毒死蜱与泛素竞争RPT亚基的活性位点,改变亚基的空间构象和泛素化状态。

5 毒死蜱与26S蛋白酶体RPT互作对蛋白质降解的影响及机制

6 毒死蜱与RPT亚基互作的动图

2)生长素介导的细胞信号调节

植物生长和代谢受上游细胞信号通路的调控。新烟碱杀虫剂(吡虫啉、噻虫嗪、噻虫胺)会占据生长素转运蛋白的活性位点,阻断生长素运输,抑制水稻的抗氧化能力生长。转录组和RT-qPCR筛选出苯丙烷代谢和生长素IAA信号通路是响应三种新烟碱杀虫剂的关键代谢通路。进一步发现参与生长素信号传导的膜蛋白LAX11LAX12的关键残基与硝基胍基团以氢键芳香氢键结合,新烟碱杀虫剂可占据生长素的结合位点,抑制生长素的转运该研究揭示了新烟碱杀虫剂胁迫下水稻苯丙烷代谢的细胞信号调控机制,为评价新烟碱杀虫剂的生物效应及保障作物品质提供科学依据(Environ. Sci. Technol. 已返修投稿)

7 新烟碱杀虫剂胁迫下水稻植物激素信号传导途径响应机制

 

刘娜副研究员电子邮箱:lncindliuna@xtu.edu.cn

 

 

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