2023-12-12
《Environmental Pollution》
影响因子：8.9
文章题目 Differentially-expressed genes related to glutathione metabolism and heavy metal transport reveals an adaptive, genotype-specific mechanism to Hg2+ exposure in rice 技术手段 RNA-Seq 西南大学在《Environmental Pollution》上发表了谷胱甘肽代谢和重金属转运相关差异基因揭示了水稻对Hg2+暴露的适应性、基因型特异性机制的研究成果。本研究的转录组测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
01、研究背景
汞通过自然和人为活动释放到大气、土壤圈和水圈中,并可以通过大气运输进行长距离迁移，因此汞被认为是一种全球性污染物。汞可以转化为剧毒的甲基汞(MeHg)，甲基汞可以通过食物链进行生物积累和生物放大，对生态系统和人类造成严重威胁。食用水产品被认为是人类接触汞的主要途径，然而水稻也具有积累汞的能力，食用受汞污染的水稻逐渐被认为是人类汞暴露的另一重要途径。 通过自身遗传特性筛选重金属耐受性高、积累量低的作物品种，是减少食物链中重金属积累、保障人类健康的有效措施。最近的研究表明，不同水稻品种对汞的吸收具有基因型稳定性，这表明具有低汞积累能力的水稻品种可以降低消费者的汞暴露风险。然而，目前关于汞对水稻的毒性研究主要集中在汞对水稻生理生化过程的影响、汞吸收的种类、汞的生物放大效应等方面，对汞吸收、转运、积累和耐受的分子机制报道较少。因此，有必要进行深入研究。
02、技术路线
03、研究结果
1.高、低汞积累能力水稻品种筛选 水培条件下，在0.1 mg/L Hg下，261个水稻品种的地上干重范围为5.73-21.78 mg/plant，THg浓度范围为21-3138 μg/g。在10 mg/L Hg处理下，地上干重范围为 0.97 - 18.28 mg/plant。THg浓度范围为1618 - 82,222 μg/g。结果表明，不同基因型水稻地上生物量和THg水平差异较大，且随汞暴露量的增加而增加。 11种高富集和10种低富集水稻品种的土壤培养结果显示。Hg浓度为0.3 mg/kg时，地上部干重为1.14 ~ 3.83 g，茎部THg浓度为1.85 ~ 6.44 μg/ g。在30 mg/kg Hg处理下，地上部干重为0.90 ~ 3.14 g，THg浓度变化范围为8.94 ~ 33.22 μg/g。通过聚类分析，选择地上生物量相近、THg含量差异较大的H655和H767分别作为高、低汞积累体。 2.H655与H767的汞积累能力比较 在相同汞浓度下，H655和H767的根和茎干重差异不显著(图1a, 1b)，但H655的THg浓度显著高于H767，特别是在茎部(图1c, 1d)。在0.1和10 mg/L Hg处理下，H655茎部THg浓度分别是H767的3.9和3.0倍，根部THg浓度分别是H767的2.8和2.4倍。结果表明，H655和H767对汞的反应表型相同，但对汞的积累能力存在显著差异。 图1 营养液培养H655和H767幼苗生物量和THg积累 3.H655和H767之间的差异表达基因(DEGs) 在没有汞暴露的情况下，在H655和H767之间发现6575个DEGs，包括3631个上调基因和2944个下调基因（图2a）。在汞暴露下，H655和H767之间的DEGs数量减少到4829个，包括3167个上调基因和1662个下调基因(图2a)，其中3290个基因共表达(图2c)。在汞处理条件下，H655中鉴定出2987个对汞敏感的DEGs，包括1523个上调基因和1464个下调基因(图2b)。在H767中，记录到2348个汞应答基因，包括1571个上调基因和777个下调基因(图2a)，其中788个基因在两种基因型中对汞暴露有共同反应(图2d)。 图2 H655和H767差异表达基因(DEGs)摘要 4.H655对汞暴露的反应能力超过H767 Hg暴露显著提高了H655和H767之间与ADP结合、碳水化合物衍生物结合、硝酸盐跨膜转运蛋白活性等生物过程相关的DEGs(图3a)。氧化损伤和抗氧化参数的测定结果显示，汞暴露对H655和H767造成不同程度的氧化应激，对H767的影响更强，脂质过氧化更严重（图3c-e）。 转录组结果显示，H655中过氧化氢酶(OsCAT)的相对表达水平在0.1和10 mg/L Hg下分别比H767上调4.67和23.33倍(图3h)，导致H655的CAT活性比H767高39.0%和44.0%(图3g)。汞暴露降低了两种水稻基因型中SOD的活性(图3f)。然而，OsMn-SOD和OsCu/Zn-SOD在H655中的相对表达量显著高于H767(图3j, 3k)。显然，H655的抗氧化系统对汞胁迫的反应强于H767，因此比H767更能减轻汞暴露造成的氧化损伤(图3b)。 图3 H655和H767对汞胁迫的DEGs和氧化应激功能分析 5.高汞蓄积基因型H655的谷胱甘肽水平及其氧化还原状态对汞暴露更敏感 Hg处理下，H655的半胱氨酸和蛋氨酸代谢酶、苯丙氨酸代谢酶、吲哚生物碱合成酶等的表达水平显著升高，而H767的表达水平不显著升高。半胱氨酸和谷氨酸在H655中的表达水平明显高于H767(图4a)。与H767相比，H655中GSH含量增加(图4b)，GSH合成酶和GR表达增加(图4f, 4g)支持了这一结果。与此一致，H655和H767相比，暴露于Hg的水稻中GR活性增强(图4e)以及两种水稻基因型中GSSG含量同时降低(图4c)。因此，GSH/GSSG比值也显著增加，特别是在H655中(图4d)，表明GSSG对GSH的还原增强。与对照组相比，H655组有26个GSH转移酶上调，而H767组只有16个(图4i)。 研究结果表明，在汞暴露下，GSH代谢相关基因的表达在高汞蓄积物H655中显著增强，从而介导了GSH含量的增加，并增强了H655通过GSH转移酶螯合Hg与GSH的能力(图4i)。因此，H655对汞的抗性比H767强，但积累的汞量更高。 图4 H655与H767之间DEGs的KEGG通路与谷胱甘肽代谢差异 6.H655与H767之间汞转运基因表达的差异 在H655和H767中共鉴定出27个与钾、钙、镁等金属吸收和运输相关的基因，以及20个其他可能参与汞运输和分布的基因(图5b )。重金属转运基因OsYSL2、OsYSL15和OsMDR4，氨基酸转运蛋白OsProT1、OsGAT4和OsGAT1，生长素转运蛋白OsLAX3，金属硫蛋白OsMT1和硝酸盐转运蛋白OsNRT2.4在H655中的表达高于H767（图5a, 5b）。因此，汞暴露后H655的汞传递系数(TF)明显高于H767(图5c)。上述结果表明，H655转运基因的高表达促进了汞从根向茎部的转移，从而增加了茎部汞的积累。 图5 H655和H767金属转运体基因表达的差异
04、结 论
在汞胁迫下，两种水稻基因型的活性氧(H2O2)的产生增加了MDA含量，从而加剧了过氧化对膜的损伤。然而，H655中抗氧化酶和GSH代谢相关基因的上调表达，使H655的抗氧化酶活性(CAT、SOD)和GSH含量高于H767，从而增强了H655对Hg的耐受性。另一方面，GST和PCS的高表达催化H655中Hg与GSH结合，从而诱导转运体基因YLS2在H655中上调表达。增加了该水稻基因型的汞转运和积累能力。因此，H655的地上部组织中汞的积累量超过H767(图6)。本研究通过对汞胁迫下水稻品种的生理和分子特征的研究，揭示了水稻对汞胁迫的适应机制，有利于制定培育耐汞水稻品种的新策略。 图6 高、低汞富集水稻品种对汞胁迫的响应模型
原文索引：
Wang S, Yao H, Li L, Du H, Guo P, Wang D, Rennenberg H, Ma M. Differentially-expressed genes related to glutathione metabolism and heavy metal transport reveals an adaptive, genotype-specific mechanism to Hg2+ exposure in rice (Oryza sativa L.). Environ Pollut. 2023 May 1;324:121340. doi: 10.1016/j.envpol.2023.121340. Epub 2023 Feb 22. PMID: 36828354.
