盐渍环境下苋菜缺Ca/Fe/Zn对Cd吸收累积的影响及其与ZIP基因表达的关系

摘要

近年来，由于我国经济的发展，人口的增加，土地资源越来越紧张，人们不得不考虑在盐渍化土壤进行农业种植活动，但相当一部分盐渍化土壤还伴随着重金属污染。前期研究显示盐分离子能够活化土壤重金属及盐渍土营养元素利用率低造成的缺素胁迫都会促进植物对重金属的吸收，这对粮食安全构成了巨大威胁。因此，本研究基于本课题组郭世鸿博士完成了苋菜转录组测序基础上，通过水培试验，研究了盐渍环境缺Ca、缺Fe以及缺Zn处理下两个苋菜品种Cd吸收累积与其它金属元素吸收之间的关系，利用qRT-PCR技术测定根部调控金属转运蛋白基因的相对转录水平，探究了盐渍环境缺Ca/Fe/Zn处理下金属转运蛋白表达与Cd吸收累积的关系，并通过基因工程技术对此关系进行了验证。本研究可为盐渍环境对作物在Cd污染的土壤种植带来的潜在风险及相关理论机制提供研究参考，以及为盐渍环境筛选低Cd吸收累积品种提供理论依据。研究结果如下： （1）盐渍环境缺Ca、缺Fe以及缺Zn处理下对两个苋菜品种Cd吸收累积影响均一致，表明两个苋菜品种具有相同的Cd吸收累积机制。与对照组相比，缺Ca处理显著增强了根对Cd的吸收但抑制Cd往地上部转运过程，缺Fe处理抑制了根对Cd的吸收和Cd往地上部的转运量，缺Zn处理同时增强了根部对Cd吸收和及往地上部转运过程。通过计算得出植物对Cd、Ca、Fe、Zn元素单位质量根吸收能力并分析它们之间的关系，结果显示：对照组、缺Ca及缺Fe处理苋菜Cd吸收与Zn吸收呈极显著正相关（P<0.01），缺Zn处理下植物Cd吸收较对照组显著增加(P<0.05)，这些结果表明苋菜中Cd可以通过Zn运输通道进入到植物体内。 （2）基于华大转录组测序注释，利用qRT-PCR技术测定了不同处理下植物根部12个可能与调控Cd吸收有关的基因相对转录水平并探究了其与Cd吸收之间的关系，结果显示：不同处理下，植物Cd吸收与zip2、zip4基因的表达呈显著正相关(P<0.05)，与zip8、zip11呈极显著正相关（P<0.01）。对zip2、zip4、zip8和zip11相对转录水平与单位质量根Cd吸收进行多元线性回归分析，排除共线性变量zip2后得到最佳回归方程Y=39.217+0.837X1+14.214X2+34.641X3，校正后R2=0.873，其中Y和X1、X2、X3分别为单位质量根Cd净吸收量和zip8、zip11、zip4的相对转录水平，该方程可以较好拟合不同处理下植物Cd吸收能力的差异，表明苋菜可以通过调控zip4、zip8、zip11基因的表达影响植物对Cd的吸收。 （3）利用qRT-PCR技术测定了不同处理下植物根部7个可能与调控Cd封存于液泡有关的基因相对转录水平并探究了其与Cd根系截留的关系，结果显示：不同处理下，Cd根系截留与hma3基因的表达呈显著正相关（P<0.05），与mtp10，abcc3和opt3呈极显著正相关（P<0.01）。缺Ca/Fe处理下，hma3，mtp10，abcc3和opt3的高表达增强了植物Cd根系截留能力，但缺Zn处理下，hma3，mtp10，abcc3和opt3的低表达并未降低植物Cd根系截留能力，这可能由于缺Zn处理下调控Cd木质部装载活动的基因低表达导致的。这些结果表明苋菜hma3，mtp10，abcc3和opt3的表达对植物Cd根系截留起着重要作用，但并不是唯一因素。 （4）克隆得到两个苋菜品种zip2、zip4、zip8、zip11基因的CDS序列，分别编码347、407、351、354个氨基酸，这4个基因CDS序列在两个苋菜品种中完全一致，表明这4基因在两个苋菜品种中具有一致的功能。同源蛋白比对和跨膜结构预测表明ZIP4蛋白可能与遏蓝菜NcZNT1功能一致具有转运Zn2+、Cd2+的功能，ZIP8蛋白可能与水稻OsZIP8一致具有转运Zn2+功能，ZIP11蛋白可能与水稻OsZIP2一致不具有转运Zn2+功能，ZIP2蛋白可能与拟南芥AtZIP2一致具有转运Zn2+功能。由于OsZIP8、AtZIP2、OsZIP2蛋白关于Cd转运的功能尚未有人报道，因此苋菜ZIP8、ZIP2、ZIP11是否具有转运Cd的能力还需要进一步的研究鉴定。 （4）通过酵母菌异源表达系统对苋菜ZIP2、ZIP8和ZIP11蛋白进行了功能验证，结果显示：表达苋菜zip8和zip11基因提高酿酒酵母对Cd的敏感性并增强酵母菌Cd含量，说明苋菜ZIP8和ZIP11定位在质膜上介导Cd2+的吸收。表达苋菜zip8使锌吸收缺陷酵母在低浓度Zn环境下恢复生长并增加酵母体内Zn含量，表明ZIP8可以介导Zn2+的吸收。表达苋菜zip2、zip8、zip11基因不能使铁吸收缺陷酵母在低浓度Fe环境下生长，表明ZIP2、ZIP8、ZIP11转运蛋白不能介导Fe2+的吸收。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 前期研究基础

1.4 主要创新点

1.5 主要研究内容

1.6 技术路线图

第二章 盐渍环境下缺素胁迫对苋菜Cd吸收累积及其它金属元素的影响

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.3 结果分析

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 盐渍环境下缺Ca/Fe/Zn对两个品种苋菜金属转运蛋白的表达影响

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 结果分析

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 苋菜ZIP基因的克隆及生物信息学分析

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4讨论

4.5 本章小结

第五章 酵母菌功能互补与异源表达

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与分析

5.4 讨论

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 展望

参考文献

已发表论文

致谢