硫化氢缓解红麻重金属镉胁迫功能分析

发布时间：2020-05-17 09:55

【摘要】：镉(Cd)具有剧毒,且容易被植物吸收,给我国粮食安全造成了严重威胁。红麻生长周期短、生物量高、耐重金属能力强,所富集的重金属不易进入食物链,是研究植物耐Cd机制和修复Cd污染农田的良好材料。硫化氢(H_2S)作为信号分子,可以缓解多种植物Cd毒害,但其作用机制目前尚不清楚。本研究利用RNA-Seq、qRT-PCR技术挖掘红麻耐Cd关键基因,并构建拟南芥过表达株系进行功能分析,以期初步阐明基因对红麻Cd稳态的调控机制,并分析H_2S在红麻Cd毒害中的作用及其调控机制,为利用喷施外源H_2S降低农田作物Cd毒害、耐Cd相关新品种的培育奠定基础。主要结论如下:(1)Cd污染农田中,6个红麻品种对重金属Cd都具有很强的富集和转运能力,但中红麻13号与中红麻16号的生物量更高,亩产量更高,更适合用于修复Cd污染农田。(2)水培Cd处理中,红麻根系和地上部都能累积超过100 mg/kg的Cd,且转运系数大于1。幼根幼叶AsA含量、幼叶CAT活性与镉浓度呈正相关。各处理下,Cd胁迫诱导幼根HcHMA2、HcGSH1、HcPCS1、HcMT2、HcLCD以及幼叶HcGSH1、HcMT2和HcLCD的表达都显著上调。(3)首次发现外源H_2S可以缓解红麻Cd毒害,且浓度为50μmol/L缓解效果最佳。H_2S+Cd处理下,红麻幼苗根长、株高、根系干鲜重和地上部干鲜重、Cd累积量,相比Cd胁迫下明显上升。H_2S诱导Cd胁迫下红麻幼根和幼叶HcGSH1、HcPCS1、HcABCC3、HcAOX4和HcNR,以及幼根MT2的表达显著上调。另外,外源H_2S显著增强Cd胁迫下幼根SOD、POD、CAT,以及幼叶SOD活性,显著降低H_2O_2含量和MDA含量,并增加叶绿素含量。(4)通过构建4种不同处理下的转录组文库,获得了总计10,1154条长于200 bp的Unigenes,共涉及32条不同的代谢通路。H_2S对Cd的特有差异基因有38个,其中15个下调,23个上调。这些基因涉及谷胱甘肽代谢、金属离子转运、氮代谢、苯丙氨酸代谢、电子传递、氧化还原酶、糖代谢。(5)克隆了红麻HcGST和HcMGL基因全长,并进一步构建HcGST和HcMGL拟南芥过表达株系。表型鉴定发现,过表达HcGST会使拟南芥对Cd更敏感,而过表达HcMGL增强拟南芥耐Cd能力。Cd胁迫下,HcGST过表达系的根长和鲜重低于WT,且其Cd含量最低,AtPCS2表达与SOD活力相比WT显著下调。而HcMGL过表达系的根长和鲜重高于WT,Cd含量低于WT,且其AtGSH1的表达、AsA含量及SOD、CAT和POD的活性,相比WT显著上调。H_2S+Cd处理下,3种拟南芥的根长和鲜重相比Cd胁迫明显好转,且3种拟南芥AtGSH1、AtMT2和AtLCD的表达都显著上调,GSH含量以及SOD、POD和CAT活性都显著增强。外源H_2S可以提高WT以及HcGST、HcMGL过表达系的耐Cd能力,暗示H_2S信号通路可能是植物抵御Cd胁迫的重要机制之一。
【图文】：

内源,途径,植物,半胱氨酸

是一种还原物质，能够清除超氧化物（Mitsuhashietal.,2006）、过氧化亚硝酸盐、次氯temanetal.,2004）及过氧化氢等 ROS，但 H2S 的还原能力不如谷胱甘肽（GSH）和半abil et al., 2010）。植物内源 H2S 的代谢源 H2S 代谢包括植物体内 H2S 的合成与分解。H2S 的合成主要有 5 个途径（图 1.1）：脱巯基酶（LCD）途径、D-半胱氨酸脱巯基酶（DCD）途径、亚硫酸盐还原酶（SiR丙氨酸合酶（CAS）途径和半胱氨酸合酶（CS）途径（Rausch et al., 2005）。LCD 降解酸，可以产生 H2S。LCD 途径主要发生在植物细胞质、核和线粒体中，是内源 H2S 最方式之一。线粒体中，DCD 催化分解 D-半胱氨酸，，从而产生 H2S。叶绿体中，亚硫还原，借助电子供体铁氧化还原蛋白（Fed）生成 H2S。在植物细胞质和线粒体中，化物和 L 半胱氨酸转化为氰尿酸和 H2S。CS 是乙酰丝氨酸（硫醇）裂解酶，它在细胞和线粒体中能催化乙酰丝氨酸和 H2S 生成半胱氨酸，但也可通过可逆的反应产生 H2S的 H2S 一部分会散发出来，一部分可被还原为半胱氨酸以及含有半胱氨酸的蛋白或多物特有一些降解半胱氨酸从而释放 H2S 的酶（Papenbrocketal.,2007）。因此，内源 H2除在植物体内保持平衡，H2S 的稳态对植物适应重金属胁迫的能力至关重要。

重金属胁迫,植物,内源,紫苜蓿

在各种胁迫中，植物通过调控生理生化以及代谢活动，从而增强对胁迫的适应能力。研究表明，H2S 参与植物对各种非生物胁迫的响应（图 1.2）。盐胁迫下，H2S 可以维持苜子平衡，从而减轻高盐毒害（Laietal.,2014）。高温胁迫下，H2S 诱导脯氨酸大量累积，增对高温的耐受能力（Li et al., 2013b）。冷害胁迫中， H2S 通过上调葡萄抗寒转录因子的表强其抗寒能力（Fu etal., 2013）。据报道，H2S 通过调控气孔活动，在植物响应干旱、水分胁迫的防御过程起重要作用（Honda, 2015; Jin et al., 2015）。此外，重金属胁迫迅速引发内的产生，其含量的增加与植物增强耐受重金属胁迫能力有关。Cd2+诱导紫苜蓿内源 H2S 合et al., 2014）。10 mmol/L Cr6+处理 24 小时会导致谷子 LCD、DCD 和 DES1 的表达上调，发的 H2S 提高了 66.7%（Fang et al., 2014a）。在百慕大草中，NO 响应 Cd 胁迫的过程，H2S 含量增加（Shietal.,2014）。在拟南芥响应 Cd 胁迫的过程中，脱落酸（ABA）相关转WRKY 通过调控 LCD 和 DES 的转录，从而加快合成 H2S（Liu et al., 2015a）。水稻幼苗内受 0.5mmol/LCd 胁迫的诱导，其含量提升 20% （Mostofaetal.,2015b）。水杨酸（SA）在南芥抵御 Cd 胁迫的过程中，通过增强 LCD 的活性，促进 H2S 合成（Qiaoetal.,2016）。20Cd 处理 24 小时后，甘蓝油菜根中 H2S 含量增加了 52.6%（Zhang et al., 2015）。总之，非胁迫下，内源 H2S 含量的变化与物种、基因型、植物组织、胁迫种类、程度以及处理持续关。换言之，H2S 对植物是引起毒性，还是起保护作用，取决于植物中 H2S 的浓度及部位
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X503.231;S563.5

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