镉胁迫下苎麻萝卜根细胞壁的解毒策略

Potential strategies for detoxification of plant root cell walls under cadmium stress are mostly focused on the root systems of annual plants or plant seedlings, and the detoxification mechanisms of root cell walls of perennial perennial herbaceous plants with large roots, especially radish roots, are still poorly studied. In this study, ramie was cultured in nutrient solution to study the content, morphology and subcellular distribution characteristics of cadmium in radish roots of ramie (cuttage seedlings, annual, biennial and triennial) under different cadmium concentrations. And the mechanism of enrichment of cadmium in cell wall components of ramie radish roots. The key cell wall components and their key genes of ramie radish roots responding to cadmium stress were screened to reveal the mechanism of detoxification of cadmium in ramie radish roots, and the key signal substances of induced PCs by radish root in Ramie, to improve cadmium accumulation and tolerance of fiber ramie , to reduce the content of cadmium in feeding ramie and other forage crops, and its theoretical basis.

镉胁迫下植物根系细胞壁的解毒的可能策略研究多集中在一年生植物或植物幼苗阶段的根系上，而对具有庞大根系特别是萝卜根的多年生宿根型草本植物根系细胞壁解毒机制缺乏研究。本研究以苎麻为材料，采用营养液培养的方式，研究苎麻（扦插苗、一年生苎麻、二年生苎麻、三年生苎麻）地下部，比较不同麻龄苎麻的萝卜根在不同镉浓度处理下的镉含量、形态及其亚细胞分布特点，分析揭示镉胁迫下苎麻萝卜根细胞壁组分富集镉的机制，筛选苎麻萝卜根响应镉胁迫的关键细胞壁的组分及其代谢的关键基因，探索研究苎麻萝卜根诱导植物螯合素（PCs）合成的细胞壁关键信号物质，以期深入地揭示苎麻萝卜根细胞壁镉的解毒机理，为提高纤维用苎麻镉积累和镉耐性以及降低饲用苎麻和其他饲草作物中的镉含量提供理论基础。

本项目对农田镉污染条件下种植的269份苎麻种质资源的镉富集能力及各器官镉含量进行研究苎麻地下部分（萝卜根与繁殖根）镉积累占全株积累量的67.12%，萝卜根与繁殖根的镉积累均高，其中57.25%的苎麻种质各器官镉积累量以萝卜根最高，37.17%种质以繁殖根镉积累量最高；地下部含量比地上部镉含量高49.98 %，70.63%的苎麻种质各器官的镉含量以萝卜根最高。利用转录组测序技术开发苎麻EST-SSR标记获得1个标记(22169-2)在不同年份间与地上部镉积累量显著关联，5个标记(15123, 4849, 6131, 13634和10753)在不同年份间与地下部镉积累量均显著关联，2个标记(6131和13634)在不同年份间与单蔸镉积累量均显著关联；和5个标记(7271、14204、12748、11106-2和17984)与地上部镉含量、地下部镉含量和单蔸镉含量均显著关联的标记。进行了研究完成了苎麻细胞壁多糖对重金属Cd胁迫的响应筛选，发现苎麻响应镉胁迫的关键细胞壁的组分为半纤维素。基于苎麻转录组及表达谱分析发现主要半纤维素基因中有14个响应镉胁迫基因，纤维素合成相关基因有Unigene22015、Unigene26913、Unigene40063、Unigene14926等18个响应镉胁迫基因，果胶合成相关基因有5个上调基因和9个下调基因，47个木质素合成相关基因中有22个重金属镉响应基因。在基因筛选的基础上，克隆了21个基因，分别为BnMAN1、BnXTH1、BnXTH2、BnXTH3、BnXTH4、BnXTH5、BnXTH6、BnXTH7、BnXTH8、BnXTH9、BnXTH10、BnXTH11、BnXTH12、BnXTH13、BnXTH14、BnXTH15、BnXTH16、BnNRAMP1、BnMYB1、BnMYB2和BnMYB3；构建了表达载体、并转化根癌农杆菌，获得了各基因的转基因拟南芥。已在拟南芥中证明BnXTH1 与重金属镉耐性及富集性相关（已经授权国家专利），BnXTH5 与重金属镉敏感性相关（已申请国家专利）。探索出BnXTH1 通过调控PCs代谢途径及镉转运蛋白等相关基因的表达来调节植物对重金属镉的耐性及富集能力。BnMYB1和BnMYB2通过调控PCs代谢途径来调节植物对重金属镉的耐性。