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NMT發現與紅花煙草相比黃花煙草根系吸鎘速率更大推測其具備土壤修復潛力
感謝本文一作，中國農科院煙草研究所張彥博士校稿
基本信息
主題：NMT發現與紅花煙草相比黃花煙草根系吸鎘速率更大推測其具備土壤修復潛力
期刊：Physiologia Plantarum
影響因子：4.148
研究使用平臺：NMT煙草品質創新平臺
標題：Comparative transcriptome combined with biochemical and physiological analyses provide new insights toward cadmium accumulation with two contrasting Nicotiana species
作者：中國農科院煙草研究所劉海偉、張彥、石屹、晁江濤
檢測離子/分子指標
Cd2+
檢測樣品
煙草根，距根尖頂端0、200、500、800、1100、1400、1700、2000 μm 根表上的點。.
鎘（Cd）是環境中毒性很大的重金屬元素之一，對動植物的生長造成嚴重傷害。本研究對CdCl2處理后的黃花煙草（Nicotiana rustica）和紅花煙草（Nicotiana tabacum）進行了生理、生物化學和轉錄組分析，以了解Cd積累的潛在分子機制。結果表明，黃花煙草的干重高于紅花煙草。此外，與紅花煙草相比，黃花煙草的根部積累更高的Cd濃度（69.65倍）、Cd2+內流速率（1.32倍），具備較高的谷胱甘肽S-轉移酶（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活性以及較低的H2O2和超氧化物（O2•-）積累。Cd主要分布在兩個物種的細胞質中，而在黃花煙草中，Cd在細胞壁中分布比例很大。此外，轉錄組分析顯示，Cd處理后在黃花煙草的葉片和根部分別有173個和710個差異表達基因（DEGs），而在紅花煙草的葉片和根部分別發現了576和1543個差異基因。在黃花煙草中，苯丙素生物合成和苯丙氨酸代謝是明顯的富集通路，而在紅花煙草中，GSH代謝、ATP結合盒超家族轉運蛋白和苯丙素生物合成是明顯的富集通路。最后，研究發現與金屬內流、區隔化、再活化和螯合作用有關的DEGs是Cd積累的主要原因。這些結果表明，黃花煙草比紅花煙草積累更高的Cd含量，在相同的Cd處理條件下，不同物種有不同的響應機制。本研究中確定的DEGs可能有利于確定與Cd調控有關的基因或途徑，明確與Cd積累有關的重要調控因子。
離子/分子流實驗處理
50 μM CdCl2處理24 h
為了了解兩個物種是否具有不同的根部吸收Cd的能力，用非損傷微測技術（NMT）來研究50 μMCdCl2處理下根部的Cd2+流速。通過對距離根尖頂端0~2000 μm區域的8個點進行測量，發現50 μM CdCl2處理可在這一區域內引起穩定的Cd2+內流（圖1）。這兩個物種表現出相同的流速變化趨勢。與根尖（0 μm）的流速相比，流速在200 μm處首先增加，然后在500 μm處迅速減少，在隨后的點上又慢慢增加（圖1）。研究選擇了距離根尖500 μm處進行后續的檢測，因為在該位點可以觀察到強烈的Cd2+流速。兩個物種之間存在著顯著的點內流差異。黃花煙草（49.0673 pmol cm-2s-1）的根部表現出比紅花煙草（37.2259 pmol cm-2s-1）高1.32倍的Cd2+內流速率，這表明黃花煙草的根部比紅花煙草的根部具有更大的Cd吸收能力。
圖1. 黃花煙草和紅花煙草根部的Cd2+吸收速率。負值代表Cd2+吸收。
其他實驗結果
黃花煙草根和葉中的Cd濃度均比紅花煙草高。與對照組相比，經Cd處理的黃花煙草的根和地上部分干重都增加了，而在50 μM CdCl2處理下，紅花煙草的根干重下降，地上部分的干重與對照組相比沒有變化。
兩種煙草葉片和根系中Cd主要存在于核糖體可溶性組分中，其次是細胞壁、細胞核和葉綠體，線粒體。
無Cd處理時，黃花煙草的GST活性顯著高于紅花煙草。Cd處理后，GSTs、SOD和CAT的活性均升高，同時黃花煙草的GSSG含量下降，GSH/GSSG比率升高；紅花煙草的GSSG含量上升，GSH/GSSG比率不變。
熒光探針檢測根系中的ROS，在50 μM Cd脅迫下，黃花煙草根表皮僅有輕微的熒光，表現為H2O2和O2•-的少量積累。相比之下，50 μM Cd處理下，紅花煙草根部熒光信號強烈，表明H2O2和O2•-積累量較高。
Cd處理后，在黃花煙草的葉片中有173個DEGs，根部中有710個DEGs，而在紅花煙草的葉片中共有576個DEGs，根部中有1543個DEGs。
綜上所述，Cd在兩種植物中的積累和分布表明，煙草屬可以認為是一種潛在的植物修復劑。由于IRT的調控，黃花煙草比紅花煙草有更高的Cd內流速率。Cd在兩種植物中均主要分布在細胞質中，但黃花煙草中，Cd在細胞壁中的分配比例高于紅花煙草，說明Cd可以被分隔在細胞壁中，并通過MTPs和NRAMP運輸到液泡中，在液泡中被分隔。此外，GST酶活性在兩種植物中均有所增強，而在黃花煙草中則較高，這說明GST在煙草屬的Cd積累中起著關鍵的螯合作用。最后，研究確定了與金屬內流、區隔化、再活化和螯合作用有關的DEGs對Cd積累的影響，這些相互作用必然導致黃花煙草的Cd積累能力高于紅花煙草。這些結果為進一步分析這些候選基因在煙草和其他植物中的作用提供了遺傳支持。
測試液
50 μM CdCl2, 100 μM KCl, 20 μM CaCl2, 500 μM NaCl, 100 μM Na2SO4, 300 μM MES, pH 5.7
關鍵詞：重金屬；煙草；Cd積累；轉錄組；差異基因