不同生态型拟南芥对镉的耐受和分配差异的生物学机制

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Cd(Cadmium)是一种有毒金属元素,随着我国工业化和城市化进程的加快,土壤Cd污染日益严重,Cd会对植物的生长和发育造成毒害,通过食物链在在人体某些器官富集的Cd会存在10-35年,对人体产生巨大的伤害。植物修复已广泛应用于土壤重金属污染的修复,但是目前植物对Cd的耐受机制尚不完全清楚。关于Cd与植物细胞壁(cell wall,CW)结合的研究越来越多,但大多集中在CW果胶对Cd的固定,对Cd与纤维素和半纤维素结合的研究较少。而如何在修复Cd污染的基础上降低粮食作物籽粒中的Cd含量更是一个很大的难题。本研究选取典型的拟南芥生态型为试验材料,通过10μM Cd Cl2胁迫处理,探究生态型耐受和分配差异的生物学机制,旨在为植物在Cd胁迫下的修复提供理论依据。主要结果如下:1.Cd敏感型(Ph2-23)和Cd耐受型(Tor-1)两种生态型植物根系对Cd的吸收没有差异,但Tor-1的地上部Cd浓度较高且具有更强的耐受性。与Ph2-23品种相比,Tor-1生态型中CW果胶、纤维素和半纤维素对Cd的结合显著高于Ph2-23生态型,同时果胶、纤维素和半纤维素的浓度也显著高于前者。转录组测序和q RT-PCR验证分析表明,Tor-1中调控CW果胶、纤维素和半纤维素多糖水平的基因与Ph2-23中存在显著差异。综上所述,Tor-1对Cd更耐受的机制在于相关基因调控的果胶甲基化以及纤维素和半纤维素含量的增加,从而增加了CW对Cd的结合,以降低了Cd对细胞的毒性。2.Jm-1的叶片、茎和角果Cd浓度均高于Kyo-0。而Jm-1叶片CW中Cd浓度低于Kyo-0,茎和角果的CW中的Cd浓度显著高于Kyo-0。Kyo-0的半纤维素和乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid,CDTA)-果胶的Cd浓度均高于Jm-1。在Cd处理下,Kyo-0的果胶甲酯酶(Pectin methylesterase,PME)活性较高,且PME1、PME2、PME12、PME25等基因表达上调。两种生态型木质部Cd浓度差异不显著,而Jm-1的韧皮部Cd浓度显著高于Kyo-0。Fe转运相关基因表达显示,Cd处理后两生态型间只有YSL3和ZIP11有显著差异;液泡Cd区隔相关基因表达显示,Kyo-0中只有CAX1的表达显著高于Jm-1。综上所述,Kyo-0角果相较于Jm-1角果积累较少Cd的机制可能如下:(1)Kyo-0叶片中主要受PME1、PME2、PME12、PME25等调控导致PME活性较高,从而CW果胶对Cd螯合增多;(2)可能通过诱导YSL3的表达来调控Cd在韧皮部的运输,从而减少Cd向角果的运输。
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