本文關(guān)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(jī)制　出處：《暨南大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,由于不合理的耕作方式、高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)活動以及全球性的氣候變化導(dǎo)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(jìn)而促進(jìn)植物體內(nèi)重金屬積累增加,這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)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(yīng)調(diào)節(jié)對于土壤重金屬活化和吸收的影響機(jī)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(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法研究莧菜在鹽分脅迫下的響應(yīng)變化,進(jìn)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(jī)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(jī)制。研究內(nèi)容和結(jié)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(jié)果表明:在土培盆栽試驗中,鹽分脅迫處理促進(jìn)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(dǎo)生物活化Cd作用所貢獻(xiàn)的比例分別高達(dá)51.2%和80.5%。因此,鹽分誘導(dǎo)生物活化Cd作用對鹽分脅迫下土壤Cd活化增加起到關(guān)鍵作用,同時鹽分脅迫下土壤活化態(tài)Cd的增加是導(dǎo)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(qiáng)的活化Cd的能力。(2)采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù),通過對莧菜根、葉以及根際土代謝物進(jìn)行定性分析,同時購買相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)一步進(jìn)行鑒定,最終建立莧菜專用代謝物譜庫。根據(jù)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(jié)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(xiàn)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(qiáng)土壤重金屬活化Cd能力的有機(jī)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(dǎo)生物活化Cd作用增強(qiáng)的主要原因。鹽分脅迫下根際土有機(jī)酸積累增加主要由于莧菜根系分泌增加所導(dǎo)致,而莧菜的根內(nèi)三羧酸循環(huán)(TCA,tricarboxylic acid cycle)增強(qiáng)可能是導(dǎo)致根系分泌有機(jī)酸增多的關(guān)鍵原因。TCA循環(huán)增強(qiáng)也是莧菜應(yīng)對鹽分脅迫的重要的響應(yīng)機(jī)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(yīng)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(yīng)鹽分脅迫。(3)通過采用雙鏈特異性核酸酶(Duplex-Specific Nuclease,DSN)酶構(gòu)建高質(zhì)量的均一化c DNA文庫,對均一化后的c DNA文庫進(jìn)行高通量測序并進(jìn)行de novo組裝。一共測得莧菜的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)22.3 Gb。經(jīng)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(shù)據(jù)庫進(jìn)行注釋,共有69234條Unigene獲得功能注釋,注釋比例為66.26%。根據(jù)注釋結(jié)果共檢測出60486個蛋白質(zhì)編碼區(qū)(coding sequence,CDS),未注釋上的Unigene使用ESTScan預(yù)測后獲得9584個CDS。同時還檢測出9961個簡單重復(fù)序列分布于8550條Unigene中,以及預(yù)測出1816個編碼轉(zhuǎn)錄因子的Unigene,分布在57個轉(zhuǎn)錄因子家族分類中。這些結(jié)果為后續(xù)開展莧菜相關(guān)研究提供參考基因組信息。(4)根據(jù)獲得莧菜轉(zhuǎn)錄組的參考基因組信息,對鹽分脅迫下土培莧菜根進(jìn)行表達(dá)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(dá),而全紅莧菜僅有1052條顯著差異表達(dá)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(zhuǎn)運子(aluminum-inducible malate transporter,ALMT)基因表達(dá)上調(diào)。鹽分脅迫通過刺激ALMT基因表達(dá)上調(diào),進(jìn)而促進(jìn)蘋果酸向根外分泌的增加,這可能是導(dǎo)致莧菜根際土酸化的一個重要原因,同時也是鹽分誘導(dǎo)生物活化Cd增強(qiáng)的重要原因。柳葉莧菜的根內(nèi)關(guān)于果膠酯酶,聚半乳糖醛酸酶和GAUT等的基因表達(dá)因鹽分脅迫而受抑制,這將導(dǎo)致根細(xì)胞壁上果膠含量和果膠去甲酯化程度下降,進(jìn)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(xì)胞壁進(jìn)入原生質(zhì)體內(nèi)。而鹽分脅迫下,與細(xì)胞壁合成相關(guān)基因在全紅莧菜根的表達(dá)變化不顯著,說明全紅莧菜細(xì)胞壁受鹽分脅迫影響較小。在鹽分脅迫下,與Cd吸收有關(guān)的基因Nramp5、ZIP2和HMA2表達(dá)受到抑制,這可能導(dǎo)致莧菜根吸收Cd的能力下降。鹽分脅迫下ABCC3基因表達(dá)上調(diào),促進(jìn)莧菜體內(nèi)的Cd轉(zhuǎn)運到液泡中,進(jìn)而提高了莧菜對Cd的解毒能力。這些結(jié)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(qiáng)所導(dǎo)致,而可能主要是由于根際土活化態(tài)Cd增加、細(xì)胞壁吸附Cd能力下降和Cd液泡區(qū)隔化能力增強(qiáng)所致。此外,與陽離子吸收和轉(zhuǎn)運基因密切相關(guān)的基因,如CAX3、ZIP6、MTP10、HMA5和OPT4在鹽分脅迫下也均顯著差異表達(dá),雖然目前沒有相關(guān)研究表明它們與Cd吸收和轉(zhuǎn)運的作用,但是這些可能是潛在的影響重金屬吸收的關(guān)鍵基因。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X53;S636.4;X173

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