超积累植物龙葵（Solanum Nigrum L.）对镉吸收、转运及富集的生理与分子机制研究

Hyper-accumulation of Cd by higher plants, defined as being capable of accumulating and tolerating up to 100 mg Cd kg−1 in plant shoots, is a very rare phenomenon. To optimize the potential use of Cd hyperaccumulator for phytoremediation, basic information on the physiological, biochemical and molecular mechanisms of Cd hyper accumulation is necessary. Information on the rate of uptake and transport of Cd with in the plants is essential to better understand the physiology of Cd accumulation in hyperaccumulator. Solanum nigrum L. (Solanaceae) is a Cd accumulator and has a faster growth rate and higher biomass. In the previous work, we have investigated the characteristics of patience and accumulation in S. nigrum plants. Moreover, we have investigated the impacts of different nitrogen (N) forms on growth, Cd accumulation, nitrogen metabolism, antioxidant enzymes and proton pump of this plants. However, our knowledge of the detoxification mechanisms in vivo, and the expression and regulation of gene or protein with some special features in the presence of Cd ions is still preliminary. In this study, we compare Cd tolerance and accumulation between the Cd accumulator S. nigrum and the low Cd accumulator S. photeinocarpum by a combination of several techniques including EXAFS, HPLC, CLM, ICP-MS, and radioactive and isotope-tracer technique, under hydroponic culture. We also investigated the molecular mechanisms that are responsible for Cd tolerance and accumulation using a combination of physiological and iTRAQ-proteomics analyses. These results form a basis upon which to further explore the molecular mechanisms of Cd accumulation and tolerance, and provide an insight into novel strategies that can be used for phytoremediation and food safety.

植物修复是一项具有广阔应用前景的治理重金属污染土壤的全新技术，而目前对植物超积累重金属机理认识的不足限制了该技术的应用和改良。龙葵(Solanum nigrum L.)是我国新发现的一种原生态Cd超富集特异植物，其对Cd具有很强耐性和累积能力，是绿色植物修复技术的良好材料。课题组前期对龙葵耐性及不同形态氮对其氮代谢、质子泵及抗氧化系统的影响做了部分研究，而对其体内解毒机制及特异功能蛋白表达及调控机理的研究尚未涉及。本课题拟采用溶液培养法，以超富集植物龙葵和忍耐性植物少花龙葵(S. photeinocarpum Nakam. & Odash.)为材料，运用同位素示踪技术、显微镜荧光染色技术、EXAFS技术，HPLC分析技术、ICP-MS等分析龙葵吸收与转运Cd离子的机制；同时，利用iTRAQ技术比较分析龙葵叶片及根系在Cd处理前后蛋白质变化，试图从蛋白质组学角度解析其耐镉分子机制。

植物修复技术是一项具有广阔应用前景的治理重金属污染土壤的环保技术，目前对植物超积累重金属认识的不足限制了该技术的应用和改良。龙葵是我国新发现的一种原生态Cd超富集植物，是绿色植物修复技术的良好材料，我们对龙葵进行了关于镉超积累植物的系列富集特征试验，结果如下：.1、生理生化响应方面：镉胁迫使龙葵和少花龙葵根系受损严重，影响植物生长代谢，扰乱矿质元素分布，抗氧化系统失调。随镉处理浓度的增加，H2O2从龙葵叶脉向叶脉间隙和叶边缘扩散。镉的化学赋存形态主要以果胶酸盐、与蛋白质结合态或吸附态为主，其次是水溶性有机酸盐态。其光合作用的降低是气孔限制和非气孔限制综合作用的结果。镉对少花龙葵表现出更显著的抑制作用。.2、转录组和蛋白组水平响应：镉处理后，我们选取0d、3d、7d三个时间点的龙葵和少花龙葵进行转录组测序和非标蛋白提取及测定。转录测序一共得到567870个Unigenes，组装好的Unigene与数据库NR、Swiss-Prot、COG/KOG、KEGG数据库比对，共有301282个Unigene得到注释，以Fold Change≥5且FDR<0.01作为差异表达基因筛选标准。蛋白方面一共鉴定到9029个可定量蛋白。GO二级注释分类显示生物进程中细胞代谢过程所占比例最高。龙葵和少花龙葵的DEGs的上调数目均高于下调数目，说明其主要通过对基因表达的正调控响应镉胁迫，其DEPs的上下调变化不一致。转录组和蛋白的分析结果共同显示植物激素信号传导、淀粉和糖代谢、谷胱甘肽代谢、膜脂代谢产物及其信号分子相关代谢通路在其响应镉胁迫的过程中起到了关键作用，其中DEGs和DEPs主要集中在编码ZIP和ABC等家族。.3、研究中的新发现：.为丰富传统园林植物的应用，我们对园林植物进行潜在的超富集植物和耐受植物进行筛选，测定耐受指标，筛选出圆叶锦葵和黄蜀葵，它们对镉具有较强的光合耐性和超富集能力，是潜在的超富集植物，在园林中极具应用价值。此外适宜浓度的表面活性剂鼠李糖脂和皂角苷可以缓解镉对龙葵的毒害，单独施加0.50g/L鼠李糖脂和5.00g/L皂角苷对缓解Cd毒害的作用最为明显。