盐分胁迫对苋菜(Amaranthus mangostanus L.)活化和吸收土壤重金属Cd的影响机制

摘要

近年来，由于不合理的耕作方式、高强度的农业活动以及全球性的气候变化导致全球盐渍化土壤面积逐年增加，同时很多盐渍化土壤还伴随着重金属污染。盐分离子能够活化土壤重金属进而促进植物体内重金属积累增加，这对农业生产和粮食安全构成了巨大威胁。除了盐分离子对土壤重金属直接活化作用外，盐分胁迫下植物的响应调节对于土壤重金属活化和吸收的影响机制研究还较少见报道。因此，本研究以课题组前期筛选出的两种不同Cd累积能力的苋菜(Amaranthus mangostanusL.)品种为研究对象，其中柳叶苋菜为高Cd积累苋菜品种，全红苋菜为低Cd积累苋菜品种。采用代谢组学和转录组学方法研究苋菜在盐分胁迫下的响应变化，进而揭示盐分胁迫对苋菜活化和吸收土壤中重金属Cd影响的分子机制以及两个品种苋菜吸收和活化重金属Cd能力差异的分子机制。研究内容和结论包括在以下四个方面： （1）分别采用土培盆栽试验和水培培养试验研究盐分胁迫处理下柳叶苋菜和全红苋菜对土壤重金属Cd活化、吸收和累积的特征。结果表明：在土培盆栽试验中，盐分胁迫处理促进苋菜根和茎叶中Cd累积，而在水培试验中盐分却抑制苋菜根和茎叶Cd的累积，尤其是柳叶苋菜。相比于对照组处理，盐分胁迫下全红苋菜和柳叶苋菜根际土活化态Cd总量分别增加了1.78和3.36倍，而这其中由盐分诱导生物活化Cd作用所贡献的比例分别高达51.2%和80.5%。因此，盐分诱导生物活化Cd作用对盐分胁迫下土壤Cd活化增加起到关键作用，同时盐分胁迫下土壤活化态Cd的增加是导致土培盆栽试验中苋菜Cd积累显著增加的主要原因。柳叶苋菜相比于全红苋菜具有高Cd积累的主要原因在于其根系具有更强的活化Cd的能力。 （2）采用气相色谱-质谱技术，通过对苋菜根、叶以及根际土代谢物进行定性分析，同时购买相应的标准品进一步进行鉴定，最终建立苋菜专用代谢物谱库。根据代谢物的谱库信息分析盐分胁迫处理和正常条件下土培盆栽苋菜根、叶以及根际代谢物含量变化，同时还分析盐分胁迫和正常条件下水培苋菜根系分泌物的代谢物含量变化。多元统计分析结果显示，正常条件下和盐分胁迫下苋菜根和叶以及根际代谢物代谢图谱均呈现显著差异特征。在全红苋菜和柳叶苋菜根际代谢物中，具有较强土壤重金属活化Cd能力的有机酸，如草酸、苹果酸、富马酸、甘油酸、苏糖酸、3-羟基丁酸、天冬氨酸和谷氨酸的含量在盐分胁迫下显著增加，这是盐分诱导生物活化Cd作用增强的主要原因。盐分胁迫下根际土有机酸积累增加主要由于苋菜根系分泌增加所导致，而苋菜的根内三羧酸循环(TCA,tricarboxylic acid cycle)增强可能是导致根系分泌有机酸增多的关键原因。TCA循环增强也是苋菜应对盐分胁迫的重要的响应机制。柳叶苋菜根中主要靠增加葡萄糖、果糖、核糖、甘油、肌醇、丝氨酸和4-氨基丁酸含量来适应盐分胁迫，而全红苋菜的根主要靠增加脯氨酸合成和核糖积累来适应盐分胁迫。 （3）通过采用双链特异性核酸酶（Duplex-Specific Nuclease,DSN）酶构建高质量的均一化cDNA文库，对均一化后的cDNA文库进行高通量测序并进行de novo组装。一共测得苋菜的转录组数据22.3Gb。经de novo组装并去冗余后得到104483条Unigene，其平均长度，N50以及GC含量分别为921bp，1661bp和40.84%。然后将得到的Unigene比对到七大功能数据库进行注释，共有69234条Unigene获得功能注释，注释比例为66.26%。根据注释结果共检测出60486个蛋白质编码区(coding sequence,CDS)，未注释上的Unigene使用ESTScan预测后获得9584个CDS。同时还检测出9961个简单重复序列分布于8550条Unigene中，以及预测出1816个编码转录因子的Unigene，分布在57个转录因子家族分类中。这些结果为后续开展苋菜相关研究提供参考基因组信息。 （4）根据获得苋菜转录组的参考基因组信息，对盐分胁迫下土培苋菜根进行表达谱测序并分析。盐分胁迫前后柳叶苋菜共有5593条基因显著差异表达，而全红苋菜仅有1052条显著差异表达基因。这说明相对于全红苋菜，柳叶苋菜对盐分胁迫较为敏感。盐分胁迫刺激苹果酸转运子（aluminum-inducible malate transporter,ALMT）基因表达上调。盐分胁迫通过刺激ALMT基因表达上调，进而促进苹果酸向根外分泌的增加，这可能是导致苋菜根际土酸化的一个重要原因，同时也是盐分诱导生物活化Cd增强的重要原因。柳叶苋菜的根内关于果胶酯酶，聚半乳糖醛酸酶和GAUT等的基因表达因盐分胁迫而受抑制，这将导致根细胞壁上果胶含量和果胶去甲酯化程度下降，进而降低柳叶苋菜根对Cd的吸附和拦截能力，使得Cd更容易穿过细胞壁进入原生质体内。而盐分胁迫下，与细胞壁合成相关基因在全红苋菜根的表达变化不显著，说明全红苋菜细胞壁受盐分胁迫影响较小。在盐分胁迫下，与Cd吸收有关的基因Nramp5、ZIP2和HMA2表达受到抑制，这可能导致苋菜根吸收Cd的能力下降。盐分胁迫下ABCC3基因表达上调，促进苋菜体内的Cd转运到液泡中，进而提高了苋菜对Cd的解毒能力。这些结果表明盐分胁迫下土培培养下苋菜Cd积累增加并不是由于根对Cd吸收能力增强所导致，而可能主要是由于根际土活化态Cd增加、细胞壁吸附Cd能力下降和Cd液泡区隔化能力增强所致。此外，与阳离子吸收和转运基因密切相关的基因，如CAX3、ZIP6、MTP10、HMA5和OPT4在盐分胁迫下也均显著差异表达，虽然目前没有相关研究表明它们与Cd吸收和转运的作用，但是这些可能是潜在的影响重金属吸收的关键基因。

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