农科院烟草所：NMT发现与红花烟草相比黄花烟草根系吸镉速率更大推测其具备土壤修复潜力

基本信息

主题：NMT发现与红花烟草相比黄花烟草根系吸镉速率更大推测其具备土壤修复潜力

期刊：Physiologia Plantarum

影响因子：4.148

研究使用平台：NMT烟草品质创新平台

标题：Comparative transcriptome combined with biochemical and physiological analyses provide new insights toward cadmium accumulation with two contrasting Nicotiana species

作者：中国农科院烟草研究所刘海伟、张彦、石屹、晁江涛

检测离子/分子指标

Cd²⁺

检测样品

烟草根，距根尖顶端0、200、500、800、1100、1400、1700、2000 μm 根表上的点。

众所周知，镉（Cd）是环境中毒性很大的重金属元素之一，对动植物的生长造成严重伤害。本研究对CdCl₂处理后的黄花烟草（Nicotiana rustica）和红花烟草（Nicotiana tabacum）进行了生理、生物化学和转录组分析，以了解Cd积累的潜在分子机制。结果表明，黄花烟草的干重高于红花烟草。此外，与红花烟草相比，黄花烟草的根部积累更高的Cd浓度（69.65倍）、Cd²⁺内流速率（1.32倍），具备较高的谷胱甘肽S-转移酶（GST）酶活性（2.54倍）、GSH/GSSG（GSH的氧化形式）比率、超氧化物歧化酶和CAT活性以及较低的H₂O₂和超氧化物（O₂^•-）积累。Cd主要分布在两个物种的细胞质中，而在黄花烟草中，Cd在细胞壁中分布比例很大。此外，转录组分析显示，Cd处理后在黄花烟草的叶片和根部分别有173个和710个差异表达基因（DEGs），而在红花烟草的叶片和根部分别发现了576和1543个差异基因。在黄花烟草中，苯丙素生物合成和苯丙氨酸代谢是最明显的富集通路，而在红花烟草中，GSH代谢、ATP结合盒超家族转运蛋白和苯丙素生物合成是最明显的富集通路。最后，研究发现与金属内流、区隔化、再活化和螯合作用有关的DEGs是Cd积累的主要原因。这些结果表明，黄花烟草比红花烟草积累更高的Cd含量，在相同的Cd处理条件下，不同物种有不同的响应机制。本研究中确定的DEGs可能有利于确定与Cd调控有关的基因或途径，明确与Cd积累有关的重要调控因子。

离子/分子流实验处理

50 μM CdCl₂处理24 h

为了了解两个物种是否具有不同的根部吸收Cd的能力，用非损伤微测技术（NMT）来研究50 μMCdCl₂处理下根部的Cd²⁺流速。通过对距离根尖顶端0~2000 μm区域的8个点进行测量，发现50 μM CdCl₂处理可在这一区域内引起稳定的Cd²⁺内流（图1）。这两个物种表现出相同的流速变化趋势。与根尖（0 μm）的流速相比，流速在200 μm处首先增加，然后在500 μm处迅速减少，在随后的点上又慢慢增加（图1）。研究选择了距离根尖500 μm处进行后续的检测，因为在该位点可以观察到强烈的Cd²⁺流速。两个物种之间存在着显著的点内流差异。黄花烟草（49.0673 pmol cm^-2s^-1）的根部表现出比红花烟草（37.2259 pmol cm^-2s^-1）高1.32倍的Cd²⁺内流速率，这表明黄花烟草的根部比红花烟草的根部具有更大的Cd吸收能力。

其他实验结果