本文關鍵詞：鹽分脅迫對莧菜（Amaranthus mangostanus L.）活化和吸收土壤重金屬Cd的影響機制　出處：《暨南大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：近年來,由于不合理的耕作方式、高強度的農業(yè)活動以及全球性的氣候變化導致全球鹽漬化土壤面積逐年增加,同時很多鹽漬化土壤還伴隨著重金屬污染。鹽分離子能夠活化土壤重金屬進而促進植物體內重金屬積累增加,這對農業(yè)生產和糧食安全構成了巨大威脅。除了鹽分離子對土壤重金屬直接活化作用外,鹽分脅迫下植物的響應調節(jié)對于土壤重金屬活化和吸收的影響機制研究還較少見報道。因此,本研究以課題組前期篩選出的兩種不同Cd累積能力的莧菜(Amaranthus mangostanus L.)品種為研究對象,其中柳葉莧菜為高Cd積累莧菜品種,全紅莧菜為低Cd積累莧菜品種。采用代謝組學和轉錄組學方法研究莧菜在鹽分脅迫下的響應變化,進而揭示鹽分脅迫對莧菜活化和吸收土壤中重金屬Cd影響的分子機制以及兩個品種莧菜吸收和活化重金屬Cd能力差異的分子機制。研究內容和結論包括在以下四個方面:(1)分別采用土培盆栽試驗和水培培養(yǎng)試驗研究鹽分脅迫處理下柳葉莧菜和全紅莧菜對土壤重金屬Cd活化、吸收和累積的特征。結果表明:在土培盆栽試驗中,鹽分脅迫處理促進莧菜根和莖葉中Cd累積,而在水培試驗中鹽分卻抑制莧菜根和莖葉Cd的累積,尤其是柳葉莧菜。相比于對照組處理,鹽分脅迫下全紅莧菜和柳葉莧菜根際土活化態(tài)Cd總量分別增加了1.78和3.36倍,而這其中由鹽分誘導生物活化Cd作用所貢獻的比例分別高達51.2%和80.5%。因此,鹽分誘導生物活化Cd作用對鹽分脅迫下土壤Cd活化增加起到關鍵作用,同時鹽分脅迫下土壤活化態(tài)Cd的增加是導致土培盆栽試驗中莧菜Cd積累顯著增加的主要原因。柳葉莧菜相比于全紅莧菜具有高Cd積累的主要原因在于其根系具有更強的活化Cd的能力。(2)采用氣相色譜-質譜技術,通過對莧菜根、葉以及根際土代謝物進行定性分析,同時購買相應的標準品進一步進行鑒定,最終建立莧菜專用代謝物譜庫。根據代謝物的譜庫信息分析鹽分脅迫處理和正常條件下土培盆栽莧菜根、葉以及根際代謝物含量變化,同時還分析鹽分脅迫和正常條件下水培莧菜根系分泌物的代謝物含量變化。多元統(tǒng)計分析結果顯示,正常條件下和鹽分脅迫下莧菜根和葉以及根際代謝物代謝圖譜均呈現顯著差異特征。在全紅莧菜和柳葉莧菜根際代謝物中,具有較強土壤重金屬活化Cd能力的有機酸,如草酸、蘋果酸、富馬酸、甘油酸、蘇糖酸、3-羥基丁酸、天冬氨酸和谷氨酸的含量在鹽分脅迫下顯著增加,這是鹽分誘導生物活化Cd作用增強的主要原因。鹽分脅迫下根際土有機酸積累增加主要由于莧菜根系分泌增加所導致,而莧菜的根內三羧酸循環(huán)(TCA,tricarboxylic acid cycle)增強可能是導致根系分泌有機酸增多的關鍵原因。TCA循環(huán)增強也是莧菜應對鹽分脅迫的重要的響應機制。柳葉莧菜根中主要靠增加葡萄糖、果糖、核糖、甘油、肌醇、絲氨酸和4-氨基丁酸含量來適應鹽分脅迫,而全紅莧菜的根主要靠增加脯氨酸合成和核糖積累來適應鹽分脅迫。(3)通過采用雙鏈特異性核酸酶(Duplex-Specific Nuclease,DSN)酶構建高質量的均一化c DNA文庫,對均一化后的c DNA文庫進行高通量測序并進行de novo組裝。一共測得莧菜的轉錄組數據22.3 Gb。經de novo組裝并去冗余后得到104483條Unigene,其平均長度,N50以及GC含量分別為921 bp,1661 bp和40.84%。然后將得到的Unigene比對到七大功能數據庫進行注釋,共有69234條Unigene獲得功能注釋,注釋比例為66.26%。根據注釋結果共檢測出60486個蛋白質編碼區(qū)(coding sequence,CDS),未注釋上的Unigene使用ESTScan預測后獲得9584個CDS。同時還檢測出9961個簡單重復序列分布于8550條Unigene中,以及預測出1816個編碼轉錄因子的Unigene,分布在57個轉錄因子家族分類中。這些結果為后續(xù)開展莧菜相關研究提供參考基因組信息。(4)根據獲得莧菜轉錄組的參考基因組信息,對鹽分脅迫下土培莧菜根進行表達譜測序并分析。鹽分脅迫前后柳葉莧菜共有5593條基因顯著差異表達,而全紅莧菜僅有1052條顯著差異表達基因。這說明相對于全紅莧菜,柳葉莧菜對鹽分脅迫較為敏感。鹽分脅迫刺激蘋果酸轉運子(aluminum-inducible malate transporter,ALMT)基因表達上調。鹽分脅迫通過刺激ALMT基因表達上調,進而促進蘋果酸向根外分泌的增加,這可能是導致莧菜根際土酸化的一個重要原因,同時也是鹽分誘導生物活化Cd增強的重要原因。柳葉莧菜的根內關于果膠酯酶,聚半乳糖醛酸酶和GAUT等的基因表達因鹽分脅迫而受抑制,這將導致根細胞壁上果膠含量和果膠去甲酯化程度下降,進而降低柳葉莧菜根對Cd的吸附和攔截能力,使得Cd更容易穿過細胞壁進入原生質體內。而鹽分脅迫下,與細胞壁合成相關基因在全紅莧菜根的表達變化不顯著,說明全紅莧菜細胞壁受鹽分脅迫影響較小。在鹽分脅迫下,與Cd吸收有關的基因Nramp5、ZIP2和HMA2表達受到抑制,這可能導致莧菜根吸收Cd的能力下降。鹽分脅迫下ABCC3基因表達上調,促進莧菜體內的Cd轉運到液泡中,進而提高了莧菜對Cd的解毒能力。這些結果表明鹽分脅迫下土培培養(yǎng)下莧菜Cd積累增加并不是由于根對Cd吸收能力增強所導致,而可能主要是由于根際土活化態(tài)Cd增加、細胞壁吸附Cd能力下降和Cd液泡區(qū)隔化能力增強所致。此外,與陽離子吸收和轉運基因密切相關的基因,如CAX3、ZIP6、MTP10、HMA5和OPT4在鹽分脅迫下也均顯著差異表達,雖然目前沒有相關研究表明它們與Cd吸收和轉運的作用,但是這些可能是潛在的影響重金屬吸收的關鍵基因。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：暨南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X53;S636.4;X173

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