2023-02-28
《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
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。 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）。 图2镉胁迫下K326和NC55的差异表达基因 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。 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。 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。 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NtHIPP3和NtHIPP6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。 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, NtNRAMP3b和NtNRAMP6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
