伴礦景天是一種具有高效吸收、轉運和分配系統(tǒng)的鎘(Cd)超積累植物，鎘是一種非必需的有毒重金屬，但對于超積累植物Cd運輸和積累的分子調控機制尚不清楚。近期，中國林業(yè)科學院林業(yè)研究所在知名TOP期刊《Environmental and Experimental Botany》(IF=6.028/Q1)上發(fā)表的題目為“Suppression of highly efficient cadmium translocation by exogenous gibberellin provides insights into the molecular regulation mechanism of hyperaccumulation in?Sedum plumbizincicola”的研究論文,研究結果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和信號轉導途徑可能對超積累植物伴礦景天中鎘的高效轉運調控起重要作用。

奧維森提供了真核無參轉錄組及三代全長轉錄組測序及分析服務。

研究背景

超積累植物可以在含金屬的土壤上生長，它們從土壤中吸收重金屬的能力很強，并在氣生器官中的高度積累。鎘(Cd)超積累植物可在地上部分儲存超過100 mg/kg的Cd，且沒有毒性癥狀。

赤霉素(GAs)是一種經典的植物激素，在調節(jié)礦質元素的吸收和運輸方面發(fā)揮作用，并調節(jié)植物的許多發(fā)育過程和脅迫反應。伴礦景天是一種強Cd/Zn超積累植物，其中大部分Cd被吸收并轉運到地上部分進行解毒。伴礦景天地上部與根部Cd濃度比為5.5-7.5,其較強的根冠運輸能力是Cd超積累的關鍵特征。因此,本研究通過轉錄組學技術探究了鎘在超積累植物中轉運的分子調控機制。

研究方法

材料：伴礦景天試管苗

處理：用含有氯化鎘(100或200μM)和赤霉素(0、1或10μM)的溶液對試管苗進行10天的處理,n=4。

測序技術：真核無參轉錄組及三代全長轉錄組

研究結果

1、外源赤霉素（GA3）抑制伴礦景天地上部分Cd積累

在含外源赤霉素(GA3)和不含外源赤霉素(GA3)處理10天后，測定不同部位的鎘含量，研究發(fā)現(xiàn)外源GA3顯著影響伴礦景天中Cd的積累。在不加赤霉素(0μM)的情況下，Cd在幼葉中的積累量最高，在100μM或200μM CdCl2處理下，Cd積累量排序為莖>成熟葉>根。然而，外源GA3顯著增加了根中Cd的濃度，在100μM CdCl2處理下，成熟葉片中Cd的濃度分別是不加赤霉素時的26.42%(1μM GA3)和22.20%(10μM GA3)。幼葉中Cd濃度變化與成熟葉相似，外源GA3顯著降低幼葉中Cd濃度。這些結果表明，外源赤霉素GA3提高了伴礦景天根中Cd的含量，但顯著抑制了Cd從根部向地上部分的運輸。

2、外源赤霉素（GA3）降低伴礦景天中Cd的轉運量

測定不同處理下伴礦景天重金屬轉運系數(shù)(TF)（圖2）和生物富集系數(shù)(BCF)（圖3）,發(fā)現(xiàn)外源GA3顯著抑制了伴礦景天對Cd的運輸能力，外源GA3處理顯著降低了Cd從根到莖、莖到成熟葉、莖到幼葉的轉運系數(shù)。此外，Cd在莖中仍優(yōu)先向幼葉運轉。外源赤霉素GA3顯著增加了Cd在根中的生物量，但赤霉素處理對地上部和全株的BCFs均有顯著的負面影響。這些結果表明，外源赤霉素顯著抑制了超積累植物伴礦景天對Cd的積累。

3、差異表達基因的鑒定

經赤霉素處理后，共鑒定出1461個差異基因，其中44個轉錄本在根和幼芽組織中的表達同時具有顯著差異。外源赤霉素處理使伴礦景天的根和幼芽的轉錄本發(fā)生了顯著的變化，大部分差異表達的轉錄本在根和幼芽中表達下調。

4、與運輸相關的差異表達基因

通過對根和幼芽中DEGS進行GO富集分析，發(fā)現(xiàn)了可能與Cd運輸相關的差異基因。GO富集分析發(fā)現(xiàn)，根中與結合相關的GO term顯著富集，如四吡咯結合、輔因子結合、離子結合、金屬離子結合和陽離子結合，這與赤霉素處理后伴礦景天體內鎘轉運減少的現(xiàn)象是一致的。使用MapMan(Mercator4V5.0)分析與溶質運輸相關的差異基因，發(fā)現(xiàn)了67個與根中溶質運輸相關的差異基因，36個與幼芽溶質運輸相關的差異基因。

5、鈣信號轉導相關差異基因的表達

根據(jù)KOG分類注釋信息，在根的信號轉導機制中篩選出45個基因，其中37個基因表達下調。有趣的是，在對照(沒有添加外源赤霉素)中表達豐度最高的四個基因都與鈣轉運或結合有關，并且在赤霉素處理后均下調。這些數(shù)據(jù)表明，外源赤霉素處理后鎘轉運的減少可能依賴于鈣相關運輸和信號轉導的調節(jié)。類似地，在幼芽中有27個差異表達的信號轉導基因，其中大多數(shù)與激酶活性有關，有23個在赤霉素處理下下調。

6、與細胞壁代謝相關的差異表達基因

MapMan分析揭示了許多與細胞壁代謝相關的差異基因，在根中與細胞壁組織相關的差異基因有27個，包括纖維素、半纖維素、果膠和細胞壁蛋白，其中24個在外源赤霉素的處理下下調。這些細胞壁代謝相關基因表達的降低，表明外源赤霉素可能會對鎘的解毒作用產生負面影響。

7、qRT-PCR驗證

為了驗證差異表達基因的分析結果，我們選擇了8個可能與伴礦景天中Cd積累相關的候選基因進行qRT-PCR驗證。qRT-PCR分析表明，候選基因的表達模式與RNA-Seq數(shù)據(jù)中表達模式相似，證實了RNA-seq結果的有效性。外源赤霉素處理后，這8個候選基因在根或幼芽中均發(fā)生了顯著的變化，說明這些基因在Cd處理下都對GA有響應。

研究結論

研究結果表明，外源赤霉素GA可以減少超積累植物伴礦景天對鎘的運輸。通過對第二代和第三代測序的轉錄組數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，我們發(fā)現(xiàn)陽離子轉運體、鈣信號轉導及細胞壁的代謝和修飾調控著鎘在伴礦景天中的高效轉運。未來，鈣離子平衡和信號轉導在植物鎘超積累調控中的關鍵作用還需要進一步的分析及功能驗證，這將促進我們對超積累植物中重金屬運輸?shù)姆肿诱{控機制的理解。

參考文獻

Zhang Y, Wu X, Mo Y, et al. Suppression of highly efficient cadmium translocation by exogenous gibberellin provides insights into the molecular regulation mechanism of hyperaccumulation in?Sedum plumbizincicola[J]. Environmental and Experimental Botany, 2023, 209: 105296.