MT介导的萝卜肉质根Pb累积与解毒调控机制的研究
萝卜(Raphanussativus L.)是十字花科重要根菜类蔬菜作物，以膨大肉质直根为主要产品器官，营养丰富，在我国蔬菜生产和周年供应中占有重要地位。据报道，我国受重金属污染的土壤面积约占土壤污染总面积的21.7%，重金属污染元素主要包括铅(Pb)，镉(Cd)等。Pb作为生物体的非必需元素，是生物毒性极强的重金属之一。褪黑素(Melatonin，MT)是一类吲哚类化合物，在植物非生物胁迫响应中发挥重要的作用。DNA甲基化是一种表观遗传修饰，可调控基因表达及维持基因组稳定性，在植物生长发育及响应各种非生物胁迫过程中发挥重要的调控作用。过量的Pb可通过食物链危害人类健康，因此如何通过MT有效降低蔬菜作物中Pb累积成为当前重要课题。然而，MT介导的萝卜肉质根Pb累积与解毒调控机制研究尚不清晰。
近日，HorticultureResearch在线发表了南京农业大学柳李旺教授团队题为Melatonin-induced DNA demethylation of metal transporter and antioxidant genes alleviates leadstress in radish plants的研究论文。
该研究以萝卜高代自交系‘NAU-YH’为材料进行Pb胁迫处理，通过外源喷施不同浓度MT(0, 10,25, 50, 100, 150μmol/L)溶液，发现萝卜肉质根与叶片中GR、APX等抗氧化酶活性升高，Pb含量显著下降，其中50μmol/LMT处理下叶片与肉质根中Pb含量为Pb处理组的0.18倍和0.40倍。通过对对照组(Control)，Pb处理组(Pb200)以及50μmol/LMT处理组(Pb_50MT)进行全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)构建了萝卜首个单碱基分辨的全基因组甲基化图谱，其转座子区甲基化水平高于基因主体区；进一步分析发现，MT处理降低了Pb胁迫诱导的高甲基化水平。此外，Pb_50MT处理组在Pb200 vsControl高甲基化区域的甲基化水平显著降低，而Pb_50MTvs Pb200差异甲基化区域主要富集阳离子、铁离子结合等离子结合相关基因。关联转录组数据发现，MT处理后，上调表达的抗氧化基因(如RsAPX2、RsPOD52和RsGST)甲基化水平降低，使萝卜植株能够清除Pb诱导的活性氧(ROS)并降低氧化胁迫；MT诱导的低甲基化水平的重金属转运蛋白基因(如RsABCF5、RsYSL7和RsHMT)和转录因子(如RsWRKY41和RsMYB2)表达水平发生改变，表明其可能参与了萝卜肉质根铅累积量的降低。该研究初步解析了MT诱导的DNA甲基化改变在降低萝卜Pb累积的调控机制，为深入分析Pb转运相关基因遗传调控网络提供了良好基础，有助于全面阐明MT介导的萝卜及根类蔬菜Pb累积和解毒的分子机制。
Fig.1 Effects of MT treatment on Pbstress in radish
Fig.2 Theexpression and methylation analysis in radish response to Pb stress under MTtreatment.
Fig. 3 A hypothetical model of MT-induced Pb reduction anddetoxification in radish.
南京农业大学园艺学院唐明佳博士为文章第一作者，柳李旺教授为通讯作者，徐良、王燕副教授等参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金(31601766)、国家重点研发计划(2018YFD1000800)、江苏省现代农业产业技术体系(JATS2020)和江苏省高等学校重点学科建设专项资金(PAPD)资助等项目的资助。
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