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IF 10.753!转录组测序阐明了烟草叶片镉积累和镉耐受性的机理

2023-02-28

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Science of the Total Environment

影响因子:10.753


山东农业大学在国际著名杂志《Science of the Total Environment 》发表了镉胁迫对两种烟草品种的转录、生理和超微结构的影响。


技术路线

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研究背景

镉(Cd)对生态系统和人类健康的潜在危害是不可估量的,有数据表明中国超过16.1%的农田受到重金属污染,近年来由于采矿、冶金、垃圾焚烧、污水灌溉以及农药和化肥的过度使用,镉已成为中国农地的主要污染物之一,与其他重金属相比,Cd具有更强的迁移率。烟草是重要的经济作物,镉能抑制烟草生长,降低烟叶品质,且镉可以伴随烟雾影响吸烟者健康以及污染周围环境,因此了解烟草植物,尤其是叶片中镉积累和耐受的机制非常重要。


研究材料与方法

1、实验材料

两个烟草品种K326(抗镉)和NC55(镉敏感)

2、测序平台

Novaseq 6000

3、分析方法

mRNA测序,qRT-PCR,TEM,光合效率测定等


研究结果

1.镉胁迫对K326和NC55生长的影响

在镉处理后测量了烟草的鲜重,在Cd0组中,芽或根的重量没有显著差异,但是Cd50组中,两个品种的芽和根的重量显著降低。此外,尽管两个品种之间的根重没有显著差异,但NC55的茎重显著低于K326(图1C和E)。K326芽和根的抑制率分别为63.97%和83.62%,NC55芽和根的抑制率分别为73.08%和93.07%(图1D,F),表明K326比NC55更耐镉。

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图1镉胁迫下K326和NC55根和芽中镉的积累及其对生长的影响


2.镉胁迫下K326和NC55的差异表达基因(DEG)

对两个品种的叶片进行转录组测序,结果表明,Cd胁迫后,K326筛选到3422个差异基因,其中2116个基因上调,1306个基因下调;NC55筛选到4880个差异基因,其中2788个基因上调,2092个基因下调(图2A,B)。K326叶片中上调和下调DEG的数量低于NC55叶片,表明K326受镉胁迫的影响较小。此外,在两个品种中发现了1561个共有DEG(图2C),这可能是烟草对镉胁迫反应的关键基因。这些DEG主要富集在抗氧化、ABA和ZT合成、叶绿素合成和氮代谢等通路上(图3)。

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图2镉胁迫下K326和NC55的差异表达基因

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图3差异基因富集通路及表达热图


3.镉胁迫对K326和NC55抗氧化系统的影响

基于转录组分析的结果,本研究检测了两个品种中POD、APX、GPX和GST的活性。镉胁迫下,两个品种的POD和GPX活性均显著增加,APX活性显著下降,但是两个品种的GST活性呈现相反的趋势,K326中GST活性下降26.84%,NC55中GST活性增加93.99%,如图4所示。

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图4 ROS积累和抗氧化酶活性测定


4.镉胁迫对K326和NC55  ABA和ZT含量的影响

在镉胁迫下,K326中的ABA和ZT含量分别增加了39.98%和3.13倍(图5)。然而,NC55中的ABA和ZT含量分别降低了57.94%和78.32%(图5)。该结果表明,ABA和ZT含量的增加可能是K326耐镉性增强的重要原因之一。

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图5 烟草叶片中内源性激素含量测定


5.镉胁迫对K326和NC55叶绿素含量和光合作用的影响

镉胁迫导致叶绿素合成受到抑制,并且加速了叶绿素的降解速度,最终导致总叶绿素含量降低,进一步抑制了烟草叶片的光合作用(图6),结果表明,镉胁迫下NC55的光合作用受到比K326更严重的抑制。

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图6 叶绿素含量和光合指数测定


6.镉胁迫下镉转运和抗镉基因的表达

在镉胁迫下,烟草中许多镉转运和抗性基因的表达被激活,以抵抗镉胁迫的不利影响,转录组测序表明NtHIPP3NtHIPP6在K326中表达,但在NC55中表达被抑制(图3)。此外,在镉胁迫下,两个品种中都诱导了许多与镉耐受相关的转录因子的表达,如MYB、WRKY、bHLH、 NAC,这也可能是烟草应对镉胁迫的一种机制。


7.通过qRT-PCR分析验证DEG结果

为了验证转录组测序结果的可靠性,选择8个与镉转运和镉耐受相关的基因进行qRT-PCR实验。结果显示8个基因的表达模式与转录组分析结果一致(图7),表明转录组测序的结果是可靠的。

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图7 qRT-PCR验证


小 结

该研究发现镉胁迫下NC55中NtNRAMP5基因的表达量显著高于K326,导致NC55叶片中积累了更多的镉。同时,NtNRAMP3a, NtNRAMP3bNtNRAMP6在NC55中的高表达增加了NC55对镉的敏感性。另外,镉胁迫下K326中POD活性较高,ROS和MDA积累量较低,ABA含量较高,耐镉相关转录因子(WRKY、MYB、NAC、bHLH)表达量较高,提高了K326对镉的耐受性。导致K326根系和叶片超微结构受镉损伤程度均低于NC55,氮代谢和光合作用速率均高于NC55。最终导致镉胁迫下K326生物量显著高于NC55。这项研究阐明了烟草叶片镉积累和镉耐受性的机理,为培育低镉积累、高镉耐受性烟草品种奠定了理论基础