【摘要】：鎘(Cd)具有劇毒,且容易被植物吸收,給我國糧食安全造成了嚴重威脅。紅麻生長周期短、生物量高、耐重金屬能力強,所富集的重金屬不易進入食物鏈,是研究植物耐Cd機制和修復Cd污染農田的良好材料。硫化氫(H_2S)作為信號分子,可以緩解多種植物Cd毒害,但其作用機制目前尚不清楚。本研究利用RNA-Seq、qRT-PCR技術挖掘紅麻耐Cd關鍵基因,并構建擬南芥過表達株系進行功能分析,以期初步闡明基因對紅麻Cd穩(wěn)態(tài)的調控機制,并分析H_2S在紅麻Cd毒害中的作用及其調控機制,為利用噴施外源H_2S降低農田作物Cd毒害、耐Cd相關新品種的培育奠定基礎。主要結論如下:(1)Cd污染農田中,6個紅麻品種對重金屬Cd都具有很強的富集和轉運能力,但中紅麻13號與中紅麻16號的生物量更高,畝產(chǎn)量更高,更適合用于修復Cd污染農田。(2)水培Cd處理中,紅麻根系和地上部都能累積超過100 mg/kg的Cd,且轉運系數(shù)大于1。幼根幼葉AsA含量、幼葉CAT活性與鎘濃度呈正相關。各處理下,Cd脅迫誘導幼根HcHMA2、HcGSH1、HcPCS1、HcMT2、HcLCD以及幼葉HcGSH1、HcMT2和HcLCD的表達都顯著上調。(3)首次發(fā)現(xiàn)外源H_2S可以緩解紅麻Cd毒害,且濃度為50μmol/L緩解效果最佳。H_2S+Cd處理下,紅麻幼苗根長、株高、根系干鮮重和地上部干鮮重、Cd累積量,相比Cd脅迫下明顯上升。H_2S誘導Cd脅迫下紅麻幼根和幼葉HcGSH1、HcPCS1、HcABCC3、HcAOX4和HcNR,以及幼根MT2的表達顯著上調。另外,外源H_2S顯著增強Cd脅迫下幼根SOD、POD、CAT,以及幼葉SOD活性,顯著降低H_2O_2含量和MDA含量,并增加葉綠素含量。(4)通過構建4種不同處理下的轉錄組文庫,獲得了總計10,1154條長于200 bp的Unigenes,共涉及32條不同的代謝通路。H_2S對Cd的特有差異基因有38個,其中15個下調,23個上調。這些基因涉及谷胱甘肽代謝、金屬離子轉運、氮代謝、苯丙氨酸代謝、電子傳遞、氧化還原酶、糖代謝。(5)克隆了紅麻HcGST和HcMGL基因全長,并進一步構建HcGST和HcMGL擬南芥過表達株系。表型鑒定發(fā)現(xiàn),過表達HcGST會使擬南芥對Cd更敏感,而過表達HcMGL增強擬南芥耐Cd能力。Cd脅迫下,HcGST過表達系的根長和鮮重低于WT,且其Cd含量最低,AtPCS2表達與SOD活力相比WT顯著下調。而HcMGL過表達系的根長和鮮重高于WT,Cd含量低于WT,且其AtGSH1的表達、AsA含量及SOD、CAT和POD的活性,相比WT顯著上調。H_2S+Cd處理下,3種擬南芥的根長和鮮重相比Cd脅迫明顯好轉,且3種擬南芥AtGSH1、AtMT2和AtLCD的表達都顯著上調,GSH含量以及SOD、POD和CAT活性都顯著增強。外源H_2S可以提高WT以及HcGST、HcMGL過表達系的耐Cd能力,暗示H_2S信號通路可能是植物抵御Cd脅迫的重要機制之一。
【圖文】：

是一種還原物質，能夠清除超氧化物（Mitsuhashietal.,2006）、過氧化亞硝酸鹽、次氯temanetal.,2004）及過氧化氫等 ROS，但 H2S 的還原能力不如谷胱甘肽（GSH）和半abil et al., 2010）。植物內源 H2S 的代謝源 H2S 代謝包括植物體內 H2S 的合成與分解。H2S 的合成主要有 5 個途徑（圖 1.1）：脫巰基酶（LCD）途徑、D-半胱氨酸脫巰基酶（DCD）途徑、亞硫酸鹽還原酶（SiR丙氨酸合酶（CAS）途徑和半胱氨酸合酶（CS）途徑（Rausch et al., 2005）。LCD 降解酸，可以產(chǎn)生 H2S。LCD 途徑主要發(fā)生在植物細胞質、核和線粒體中，是內源 H2S 最方式之一。線粒體中，DCD 催化分解 D-半胱氨酸，，從而產(chǎn)生 H2S。葉綠體中，亞硫 還原，借助電子供體鐵氧化還原蛋白（Fed）生成 H2S。在植物細胞質和線粒體中，化物和 L 半胱氨酸轉化為氰尿酸和 H2S。CS 是乙酰絲氨酸（硫醇）裂解酶，它在細胞和線粒體中能催化乙酰絲氨酸和 H2S 生成半胱氨酸，但也可通過可逆的反應產(chǎn)生 H2S的 H2S 一部分會散發(fā)出來，一部分可被還原為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從而釋放 H2S 的酶（Papenbrocketal.,2007）。因此，內源 H2除在植物體內保持平衡，H2S 的穩(wěn)態(tài)對植物適應重金屬脅迫的能力至關重要。

在各種脅迫中，植物通過調控生理生化以及代謝活動，從而增強對脅迫的適應能力。研究表明，H2S 參與植物對各種非生物脅迫的響應（圖 1.2）。鹽脅迫下，H2S 可以維持苜子平衡，從而減輕高鹽毒害（Laietal.,2014）。高溫脅迫下，H2S 誘導脯氨酸大量累積，增對高溫的耐受能力（Li et al., 2013b）。冷害脅迫中， H2S 通過上調葡萄抗寒轉錄因子的表強其抗寒能力（Fu etal., 2013）。據(jù)報道，H2S 通過調控氣孔活動，在植物響應干旱、水分脅迫的防御過程起重要作用（Honda, 2015; Jin et al., 2015）。此外，重金屬脅迫迅速引發(fā)內的產(chǎn)生，其含量的增加與植物增強耐受重金屬脅迫能力有關。Cd2+誘導紫苜蓿內源 H2S 合et al., 2014）。10 mmol/L Cr6+處理 24 小時會導致谷子 LCD、DCD 和 DES1 的表達上調，發(fā)的 H2S 提高了 66.7%（Fang et al., 2014a）。在百慕大草中，NO 響應 Cd 脅迫的過程，H2S 含量增加（Shietal.,2014）。在擬南芥響應 Cd 脅迫的過程中，脫落酸（ABA）相關轉WRKY 通過調控 LCD 和 DES 的轉錄，從而加快合成 H2S（Liu et al., 2015a）。水稻幼苗內受 0.5mmol/LCd 脅迫的誘導，其含量提升 20% （Mostofaetal.,2015b）。水楊酸（SA）在南芥抵御 Cd 脅迫的過程中，通過增強 LCD 的活性，促進 H2S 合成（Qiaoetal.,2016）。20Cd 處理 24 小時后，甘藍油菜根中 H2S 含量增加了 52.6%（Zhang et al., 2015）�？傊敲{迫下，內源 H2S 含量的變化與物種、基因型、植物組織、脅迫種類、程度以及處理持續(xù)關。換言之，H2S 對植物是引起毒性，還是起保護作用，取決于植物中 H2S 的濃度及部位
【學位授予單位】：中國農業(yè)科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X503.231;S563.5

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本文編號：2668343