苹果砧木吸收与富集镉差异机理研究

Orchard soil contamination by cadmium (Cd) is becoming an serious problem and threaten food safety. Rootstock, which constitutes the roots of fruit trees, is the first organ of perceiving and absorbing Cd and determine Cd uptake and accumulation in aboveground tissues, especially fruits. Moreover, rootstock also plays a pivotal role in the resistance of the whole-plant. Our previous study indicated that six apple rootstocks such as Malus baccata Borkh, M. prunifolia（Willd）Borkh, M. hupehensis (Pamp) Rehdv, M. robusta Rehd, M. sieverii (Ledeb) Roem and M. asiatica differed in Cd accumulation, but the molecular and physilogical mechanisms remain unknown. In this project, the above six apple rootstocks will be exposed to 0-100 μM Cd for 20-30 days to compare their variations in Cd accumulation, translocation and resistance. Subsequently, the spatial and temporal dynamics of Cd flux, and cellular and subcellular localization of cadmium will be analyzed in different rootstocks. Futhermore, the transcript levels of ZIPs, NRAMPs, PCS, MTP and HMA involved in Cd translocation and detoxification will also be analyzed in other to find out key genes of Cd response in roots of apple rootstocks. Based on the above research, we will reveal differences of Cd resistance and the mechanism of Cd accumulation and detoxification in different rootstocks. The knowledge gained from this study will not only provide a scientific basis for screening Cd resistance apple rootstocks, but also help us to develop Cd resistance apple rootstocks by molecular biology methods. These results will provide new insights into keeping safety in fruit production.

我国部分果园土壤受镉（Cd）污染，对果品安全生产造成极大威胁。苹果砧木在一定程度上决定包括果实在内的地上部分Cd富集量及树体对Cd的抗性。我们前期研究发现，不同苹果砧木对Cd富集存在差异，但其机理尚不清楚。本项目拟以山定子等6种常用苹果砧木为试材，在明确不同组织Cd含量的基础上，应用扫描离子选择性电极技术，揭示细根吸收Cd离子的时空动态规律；运用透射电子显微镜和X射线能谱技术，探明Cd在根中的细胞和亚细胞分布规律；通过实时荧光定量PCR分析，明确根系对Cd的富集与重金属转运和解毒蛋白基因ZIPs、NRAMPs、PCS、MTP和HMA转录丰度之间的关系。在此研究基础上，阐明不同苹果砧木吸收与富集Cd差异的机理。研究结果将为筛选低Cd积累抗性苹果砧木提供科学依据，亦将为鉴定和克隆抗Cd的关键基因、应用分子生物学手段培育抗Cd的苹果砧木提供分子基础，对果品安全生产有重要指导意义。

我国部分苹果园土壤的重金属Cd污染问题日益突显，对果树产业可持续发展和果品安全生产造成极大威胁。砧木作为果树根系的提供者，影响果树对Cd抗性及Cd向地上部分的转运和富集。本项目探索了山定子等不同苹果砧木对Cd吸收与富集差异的生理和分子机理。主要研究结果如下：在50 μM的Cd胁迫条件下，不同苹果砧木白根均在距根尖600 μm处对Cd2+有最大净吸收，随着距根尖距离的延长，Cd2+净流量逐渐降低。山定子根系和叶柄维管束的Cd2+净流量明显低于其他几种苹果砧木。除山定子外，Cd胁迫导致其它苹果砧木净光合速率和生物量增量较对照明显降低。Cd胁迫下，山定子各组织Cd含量、Cd富集总量，生物富集系数（BCF）和转运系数（Tf）最小。以上结果表明，相较于其他几种苹果砧木特别是青州林檎，山定子具有较低的Cd吸收和富集能力，以及具有较强的Cd抗性。Cd的亚细胞分布和化学形态分析结果表明，Cd主要被固定在细胞壁和液泡中，以减小对细胞膜和细胞器的损伤。与其他几种苹果砧木相比，山定子根和叶中自由态Cd（无机态和水溶性Cd）含量和所占比例较低，根中果胶酸盐/蛋白结合态Cd、叶中难溶性磷酸盐态Cd和所有组织中草酸盐态Cd含量均较高，说明山定子较其它砧木特别是青州林檎能更有效地限制Cd移动性和降低毒性。此外，在Cd胁迫条件下，山定子具有比其它几种砧木更高效的活性氧清除系统，减少了ROS在各组织的过量积累。与山定子具有较低的Cd吸收和积累和较高的Cd抗性结果一致，参与Cd吸收和转运基因如HA7、FRO2-like、NRAMP1、NRAMP3和HMA4在根中的转录水平较低，而参与Cd解毒相关基因如NAS1和MT2显著上调表达。以上研究成果不仅可为筛选抗Cd苹果砧木提供科学依据，还可为鉴定和克隆抗重金属的关键基因，应用分子生物学手段培育抗Cd的苹果砧木提供分子基础，对保障果品产业可持续发展和果品安全生产具有重要的意义。