哈茨木霉调控番茄典型有机污染物降解的生理与分子机制研究

The residue of organic pollutants in vegetables is a serious threat to human health and the sustainable development of vegetable industry in China. Our previous studies showed that Trichoderma were able to promote the degradation and transformation of organic pollutants, but the mechanism remains elusive. Taking large amount of environmental accumulation of chlorpyrifos, atrazine and polycyclic aromatic hydrocarbons, we aim to investigate the effects of Trichoderma on the residues of those organic pollutants in soil and their degradation kinetics in this study. On this basis, we will explore the absorption, transportation and degradation mechanism of chlorpyrifos in tomato after inoculation of Trichoderma harzianum with the methods of isotope tracer technique and split-root system. Furthermore, Quantitative Proteomics and transcriptome analysis will be performed interacted with Trichoderma and organic pollutants. The biochemical pathways of chlorpyrifos metabolism induced by Trichoderma and key gene expression in regulatory pathways will be analyzed by LC-MS-MS, qRT-PCR and VIGS technology. The study is expected to elucidate the molecular mechanism of Trichoderma mediated promotion in the rapid degradation of organic pollutants in vegetable crops, and to provide a new solution to control the residue of organic compounds based on the enhancement of plant endogenous metabolic activity.

蔬菜中的有机污染物残留关系到人们的健康和我国蔬菜产业健康、持续发展，如何控制有机污染物残留、提高质量安全是一个重要课题。我们前期研究发现，木霉可以促进农药等有机污染物的降解和转化，但其调控机制尚不清楚。本研究拟以番茄为研究材料，以我国生产量和施用量较大的辛硫磷、阿特拉津和多环芳烃为模式有机污染物，系统研究木霉对有机污染物在蔬菜中的残留和降解动力学的影响。在此基础上，利用同位素示踪技术和分根栽培系统，通过模拟污染条件下接种木霉对有机污染物残留的效应，探明木霉对污染物的吸收、运输和降解机制。进而基于RNAseq和蛋白组关联分析关键基因表达模式，利用LC-MS-MS、qRT-PCR及VIGS等技术来分析木霉诱导的辛硫磷代谢的生化途径及解毒、代谢等相关基因表达调控途径中的关键节点。研究可望阐明木霉促进蔬菜作物有机污染物快速降解的分子机理，建立一条基于强化植物内源代谢活性的有机物残留控制新途径。

以番茄为研究材料，以我国生产量较大的辛硫磷为有机磷农药，探明木霉促进辛硫磷降解的生理与分子机制。接种棘孢木霉能快速降低番茄根中辛硫磷残留量。棘孢木霉能显著提高辛硫磷处理番茄根中GSH含量、AsA、AsA/DHA、GST活性、POD活性、PPO活性和GSH、GST1、GST2和GST3转录水平。与辛硫磷相比，TM+辛硫磷处理诱导了CYP724B2、GR、ABC2和GPX解毒基因的表达，表达量分别增加了3.82、3.08、7.89和2.46倍。木霉通过激活农药在生物体内的三个主要代谢阶段(转换，共轭和隔离)从而降低了辛硫磷在番茄根部的残留。H2O2信号介导了褪黑素和木霉诱导的番茄叶片中的百菌清残留降低。接种木霉显著降低了番茄、黄瓜、生菜、豇豆等根部辛硫磷、毒死蜱和百菌清残留量，提高了农药的降解效率，农残降低42%-100%，同时产量增加12.5%-25.6%。转录组和代谢组分析表明，木霉诱导了催化活力功能、金属离子结合绑定、转运功能、转录调控和信号传导、电子载运、酶活力调控和转录调控功能等解毒基因的高表达。木霉通过激活农药在生物体内的三个主要代谢阶段(转换，共轭和隔离)从而降低了辛硫磷在番茄根部的残留。用转录组分析方法预测木霉TM诱导辛硫磷代谢的关键调控基因，发现与植物激素信号转导、植物病原互作等相关的11个关键调控基因。沉默SlMPK1/2抑制了木霉诱导的农药解毒代谢基因的表达和农药残留的降解。SlERF1a沉默后，木霉诱导的解毒相关基因表达量显著降低，同时谷胱甘肽含量、GSH/GSSG和谷胱甘肽S-转移酶的活力均受到抑制，辛硫磷残留量增加。而过量表达SlERF1a激活了番茄根部羧酸酯酶(CarE)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)和细胞色素P450(P450)的活性。研究了木霉激活GRX和CYP707As基因提高了辛硫磷降解速度。发表SCI论文10篇；获河南省科技进步奖二等奖、三等级各1项，授权发明专利2项，申报发明专利3项，培养硕士研究生4名。