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武汉植物园在草坪草响应镉胁迫及镉污染土壤的植物修复研究中取得新进展

发布时间:2020年09月22日

       高羊茅是禾本科多年生地被植物,广泛用于家庭花园、公共绿地、公园和足球场等。此外,高羊茅具有根系发达、生物量大、耐刈割和土壤适应性强等特点,在水土保持、土壤改良和生物多样性维护等方面起着重要作用,是国内使用量最大的冷季型草坪草之一。近年来的研究发现,高羊茅能显著富集重金属,对重金属污染土壤具有一定的修复潜力。因此,研究高羊茅对镉胁迫的响应及其对镉的吸收、转运和储存等生理分子机制,将为重金属污染土壤的植物修复研究及其应用提供重要理论依据。

  进展一:前期研究发现外源添加一氧化氮(NO)供体能够缓解镉胁迫对高羊茅的毒害作用,但其潜在的分子生理机制还知之甚少。本研究利用生理生化技术、转录组学和代谢组学联合比较分析揭示了该解毒过程的生理分子机制。研究发现外源施加NO供体(SNP)可有效减少Cd在高羊茅根中的富集,而降低NO含量(c-PTIO + L-NAME)则明显导致根中Cd含量显著增加。联合分析揭示81个差异表达基因和15种差异代谢产物参与NO缓解镉胁迫的信号通路,主要包括谷胱甘肽代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等抗氧化代谢途径、黄酮和黄酮生物合成和苯丙烷生物合成途径、ABC转运蛋白和氮代谢等途径。研究结果为深入了解NO缓解高羊茅镉胁迫的分子和代谢机制提供了理论基础。相关成果以“Comparative transcriptome combined with metabolome analyses revealed key factors involved in nitric oxide (NO)-regulated cadmium stress adaptation in tall fescue”为题发表于国际学术期刊BMC Genomics。(论文链接:https://doi.org/10.1186/s12864-020-07017-8)。

       进展二:基于课题组前期研究发现,脱落酸(ABA)和水杨酸(SA)的复合处理能大幅提高植物地上部对Cd的富集,本研究在实验室内利用高羊茅和印度芥菜对Cd污染的土壤开展植物修复,并在植物修复的末端施加为期7天的ABA和SA强化处理。研究发现,与对照相比,额外7天强化处理的高羊茅地上部Cd含量提高了1.97倍,印度芥菜提高了1.70倍,证实了这一强化处理措施的可行性。结果表明,ABA和SA的复合处理能够诱导植物衰老,进而调控重金属在修复植物体内的迁移与分布,提高地上部重金属的含量,而HMA3基因在这一过程中扮演着重要的作用。该研究提出的采用复合信号分子处理,诱导植物衰老,进而提高修复植物地上部重金属富集的植物修复强化新策略,具有处理时间短,效率高和适应性广的特点,将为重金属污染土壤的植物修复研究及其应用提供新方法和新思路。相关研究结果以“Phytohormones-induced senescence efficiently promotes the transport of cadmium from roots into shoots of plants: A novel strategy for strengthening of phytoremediation” 为题发表于国际学术期刊Journal of Hazardous Materials。(论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122080)。

  上述研究得到国家自然科学基金(31672482,41503067)项目资助。中国科学院武汉植物园与中南民族大学为论文主要完成单位,中南民族大学资源与环境学院祝慧慧同学为论文第一作者,中国科学院武汉植物园草坪草与牧草分子育种学科组陈良研究员为BMC Genomics论文的通讯作者,Journal of Hazardous Materials论文的共同第一作者。

 

图 1 NO介导高羊茅应答镉胁迫的信号途径


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