镉胁迫下硫化氢和一氧化氮介导的苹果属植物根系呼吸代谢调控机理研究

Cadmium (Cd2+) is a ubiquitous toxic heavy metal with a long biological half-life in the environment. Cadmium is rapidly taken up by roots, adversely affecting plant growth and development as well as crop yield and quality ; by accumulating in water, soil, and food, cadmium also poses a severe threat to the ecology and human health. The study on the physiological functions and related signaling mechanisms of hydrogen sulfide (H2S) and nitric oxide (N0) in the plant's is still in its infancy. Has not yet been reported in the literature on the H2S and NO as a signal regulating substances, to regulate the respiratory metabolism of apple species caused by Cd stress. Using M. robusta Rehd.and M. hupehensis pamp Rehd.as test materials, this study aim to study the metabolism of apple root respiration, activities of key enzymes, mitochondrial characteristics, such as the response characteristics of Cd and H2S and NO donor, clear H2S and NO signaling factors on the respiratory pathway, mitochondrial function and physical role of the regulation of metabolic processes, and signal transduction processes, and changes in chlorophyll fluorescence to verify the effect of each treatment. The experimental results can reveal the path of the H2S and NO regulation of root respiration metabolism, and to explore the effectiveness of its regulation of root respiration metabolism.

土壤镉污染面积和程度不断增加，部分果园已受到不同程度的镉污染。气体信号分子硫化氢（H2S）和一氧化氮（N0）在植物体中的生理功能以及相关信号机制的探究还刚刚起步。目前关于H2S和NO是否能够作为一种信号调节物质，调节苹果属植物因Cd胁迫所引起的呼吸代谢紊乱的文献报道较少。本项目以苹果属植物八棱海棠（M.robusta Rehd.）和平邑甜茶（M.hupehensis pamp Rehd.）为试材，研究苹果根系呼吸代谢、代谢关键酶活性、线粒体特性等对Cd 的响应特征，并利用H2S 和NO 供体，明确H2S和NO 信号因子对呼吸途径、线粒体功能和物质代谢过程的调控作用，以及信号传导过程，并以叶片叶绿素荧光变化验证各处理的效果。揭示H2S 和NO 调控根系呼吸代谢的路径，探讨其调节根根系呼吸代谢的有效性。

土壤镉污染面积和程度不断增加，部分果园已受到不同程度的镉污染，威胁植物生长和食品安全。根系是吸收和感知土壤镉的首要器官。硫化氢（H2S）和一氧化氮（NO）是生物体中非常重要的两个气体信号分子。本项目主要研究了H2S和NO如何调控苹果幼苗根系的呼吸代谢参与植株的耐Cd性，通过本项目的研究我们取得以下结论：. （1）以苹果常用砧木八棱海棠和平邑甜茶幼苗为试验材料，利用H2S供体硫氢化钠（NaSH）和清除剂次牛磺酸（HT），通过检测外源H2S对镉胁迫下幼苗生长，根系细胞死亡、根构型，叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数、植株镉积累量和根系碳/氮代谢的影响，明确了H2S可作为信号调控活性氧的积累，保护线粒体功能，从而提供了细胞碳/氮代谢的稳定场所，维持代谢所需的能量，缓解镉胁迫对苹果幼苗生长的抑制和根系构型的影响，减少植株的镉积累量,增强植株对逆境的抗性。. （2）以苹果砧木平邑甜茶幼苗为试验材料，利用NO供体硝普钠（SNP）和清除剂cPTIO，探讨了H2S和NO信号因子在调控根系呼吸途径、线粒体功能和物质代谢过程中的作用，发现外源施加NO专一性清除剂cPTIO，能够逆转NaSH的作用，同时NaSH处理能够增加内源NO的含量，因此我们推测H2S可能通过促进内源NO产生来调控根系呼吸代谢，缓解镉对平邑甜茶幼苗生长的抑制作用。. （3）利用Ca2+抑制剂研究了Ca2+对H2S介导的Cd胁迫下平邑甜茶幼苗根系活性氧代谢、线粒体特性和呼吸代谢的影响，发现Ca2+在H2S诱导的植物活性氧清除能力的提高、线粒体功能和呼吸速率的稳定从而缓解镉胁迫的过程中起重要作用，而H2S的作用可能依赖于Ca2+。.本项目的研究结论表明，H2S作为重要的信号分子调控苹果幼苗呼吸代谢，并与ROS、NO、Ca2+等信号路径存在相互作用，共同介导苹果幼苗对重金属Cd胁迫的响应过程。研究结果丰富了果树根系识别镉胁迫的机理，可为降低重金属对果树的危害及果品安全生产提供新思路。