细胞壁在植物累积解毒镉中的作用机制研究

Cell wall is the first barrier that any heavy metals need to cross in order to enter the cell, so it plays an important role in the detoxification process of heavy metals by plants. The aim of this project is to study the accumulation ability and detoxification mechanisms of Cd in cell walls of Cd hyperaccumulator. Chemical analysis combined with advanced microstructure analysis technique such as SEM, TEM, EDX, FTIR, SRXRF and XAFS were used to investigate the cell wall adsorption capacity, binding sites, microdistribution, and molecular forms of Cd, and the molecular mechanisms of heavy metal compartmentalization by cell wall. Chemical analysis, immunofluorescence positioning, and modern biotechniques such as iTRAQ, cDNA-AFLP were then applied to explore the response of cell wall morphology, component (pectin, cellulose, hemicellulose and lignin) to Cd stress, differential expression of cell wall proteins under Cd stress, and the relationship between Cd stress and gene expression associated with cell wall component synthesis, and finally clarify the molecular adaption mechanisms of cell wall to Cd stress and the process mechanisms of plant cell wall in accumulating and detoxifying Cd. Results from this project may provide critical scientific basis for phytoremediation and regulation and control of agricultural products security.

细胞壁是重金属进入细胞的第一道屏障，在植物对重金属的抗逆解毒过程中具有重要作用。本研究以中国境内发现的镉富集植物为研究材料，通过室内模拟实验探索细胞壁在其累积解毒镉过程中的作用机制：采用化学分析并结合SEM、TEM、EDX、FTIR、SRXRF、XAFS等微结构分析技术, 研究细胞壁对镉的吸附容量、功能位点、镉在细胞壁的微区分布和分子形态，揭示细胞壁对镉区隔化的分子机制；利用化学分析、免疫荧光定位并结合iTRAQ、cDNA-AFLP等分子生物学技术，研究细胞壁形态、组分含量、果胶代谢和蛋白表达对镉胁迫的响应，探索镉胁迫与细胞壁组分合成相关基因表达的关系，进而揭示细胞壁对镉胁迫的适应性分子机制。本项目从分子水平系统研究细胞壁在植物累积解毒镉过程中的作用机制，研究结果可进一步丰富植物抗逆机理，为污染土壤植物修复及农产品安全调控提供科学依据。

细胞壁是重金属进入细胞的第一道屏障，在植物对重金属的抗逆解毒过程中具有重要作用。本研究以龙葵和美洲商陆为研究材料，通过室内模拟实验从亚细胞、基因及蛋白组水平对细胞壁在植物累积解毒镉过程中的作用及其机制进行了阐释。本研究丰富了植物抗逆机理，并为镉污染土壤植物修复及农产品安全调控提供理论依据和科学支撑。主要研究结果如下：1）龙葵较美洲商陆具有较高的积累和高耐镉能力。镉处理下龙葵叶片镉含量可高达104.8–125.6mg/kg干重，美洲商陆叶片镉含量达32.7-45.6mg/kg干重。镉处理下龙葵体内Ca、Mg、P、S含量增加是其具有高积累能力的原因之一。2）细胞壁在龙葵和美洲商陆累积解毒镉的过程中起到了一定作用。龙葵根、茎、叶细胞壁中镉的含量随镉处理浓度升高而增加，其含量分别为4.0%-8.1%、13.6%-38.0%和13.7%-23.8%；美洲商陆根、茎、叶镉含量分别为8.8%-17.0%、24.8%-30.9%、14.5%-28.3%；龙葵茎叶细胞壁镉绝对含量高于美洲商陆茎叶细胞壁镉含量，且龙葵茎叶细胞壁对镉的最大吸附量大于美洲商陆茎叶细胞壁的对镉最大吸附量，这也是龙葵较美洲商陆具有高积累镉能力的原因之一。美洲商陆根细胞壁对镉具有较高的吸附能力限制了镉向地上部转移。3）羟基、羧基和氨基是细胞壁结合镉的主要位点。纤维素和半纤维素为的结合提供了羧基官能团，果胶提供了羟基官能团，而细胞壁蛋白提供了氨基官能团等结合位点。4）龙葵和美洲商陆主要是通过改变细胞壁组份（果胶，半纤维素）的含量增加对镉的耐受性。多糖为镉离子提供了较多的羧基结合位点，是细胞壁多糖解毒的重要机制。植物通过这种行为把镉聚集在细胞壁上，避免了对内部细胞器的胁迫，这也是植物对镉胁迫解毒的一种生理响应机制。5）镉胁迫下差异表达基因主要富集在抗氧化活性、光合作用、ATP酶活性、细胞壁形成等途径；差异表达蛋白主要参与了激素合成、抗氧化胁迫、细胞壁多糖修饰、代谢过程和细胞结构等。植物通过丰富的内部应激相关信号通路及各种代谢过程相互作用共同构建了一个复杂的应激反应网络来抵抗镉的胁迫。