紫花苜蓿氮代谢对土壤Cd胁迫响应的品种差异及机理研究

There were remarkable interspecific differences of responses to cadmium (Cd) stress in alfalfa（Medicago sativa L.）varieties. And the response of nitrogen metabolism to Cd stress was one of the key links in response of alfalfa to Cd. Researches will be conducted with twenty alfalfa varieties to study response characteristics of nitrogen metabolism in Cd stress condition and finally screen two cultivars with remarkable interspecific differences (tolerant cultivar and sensitive cultivar). In following studies Cd accumulation characteristics of remarkable interspecific different cultivars will be studied. And differential metabolite, differential expression gene and differential metabolic pathway will be determined between tolerant cultivar and sensitive cultivar in Cd stress condition. Based on above, possible regulatory pathways that result in interspecific differences of alfalfa nitrogen metabolisms will be analyzed and then molecular mechanism of interspecific differences of alfalfa nitrogen metabolisms in response to Cadmium stress will be discussed. These researches will provide important fundamentally data not only for studies about response of plant mineral elements metabolism to soil environment but also for work about restoration and utilization of Cd contaminated soil.

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）对Cd的响应存在显著品种差异，氮代谢对Cd的响应是紫花苜蓿对Cd响应的关键环节之一。以20个紫花苜蓿品种为植物材料，在土壤Cd胁迫条件下，研究不同紫花苜蓿品种氮代谢对Cd胁迫的响应特征及品种差异，筛选出2个差异显著品种（1个氮代谢耐Cd品种和1个氮代谢Cd敏感性品种）。研究差异显著品种的Cd累积特征，研究差异显著品种间的差异代谢产物、差异表达基因及差异代谢途径，分析紫花苜蓿氮代谢存在品种差异的可能调控途径，探讨紫花苜蓿氮代谢对Cd响应品种差异的分子机理，为植物矿质元素代谢对土壤环境响应方面的研究提供基础性数据，同时为Cd污染土壤的修复和综合利用提供理论基础。

镉（Cd）是中国最严重的土壤重金属污染物，是植物非必需元素，Cd易从土壤向植物迁移，并可能通过食物链在人体内蓄积，危害人体健康。氮代谢是植物生长的重要物质代谢过程，其对Cd的响应是植物Cd响应特征的重要方面。.本研究以17个紫花苜蓿（Medicago sativa L.）品种为植物材料，在0, 50 mg kg-1的Cd处理条件下开展温室土培实验：以综合响应指数（RI）值对17个品种进行聚类分析，筛选出紫花苜蓿氮代谢对Cd响应的差异品种；分析差异品种的Cd累积特征；对差异品种开展代谢组学和转录组学研究，筛选出Cd 胁迫下，差异品种间存在的差异含氮代谢产物并讨论其代谢途径，筛选两个品种间的差异表达基因及可能途径。探讨紫花苜蓿氮代谢耐Cd或对Cd敏感的调控途径，分析紫花苜蓿氮代谢对Cd的响应存在品种间差异的可能的分子机理。.结果显示，与对照相比，50 mg kg-1Cd胁迫导致紫花苜蓿的氮代谢关键酶（NR、GS、GOGAT、GDH）活性、不同形态含氮化合物含量（硝态氮、铵态氮、脯氨酸、总可溶性氨基酸、可溶性蛋白）及总氮含量等氮代谢相关指标发生明显变化，这种变化存在品种差异，其中差异最为显著的2个品种是“甘农3号”和“WL525HQ”； “甘农3号”和“WL525HQ”的Cd累积特征也存在显著差异，“甘农3号”叶片中的Cd主要储存在液泡（43.93%），而“WL525HQ”叶片的Cd主要被储存在细胞壁（56.01%）；此外，二者在精氨酸和脯氨酸代谢通路、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢通路和氨基酸生物合成等多条途径的差异是两品种氮代谢Cd响应存在显著差异的内在原因，其中DELTA-OAT （鸟氨酸氨基转移酶）、gatA（含酰胺酶结构域的蛋白质）和P5CS （δ-1-吡咯啉-5-羧酸合成酶）等多个基因的表达量差异和甲基丙二酸、抗坏血酸、5-氨基酮戊酸盐和胆碱等多个代谢物的含量差异是品种差异存在的重要因素。.本项目以紫花苜蓿氮代谢对Cd的响应为切入点，开展从表型、生理指标、代谢物，最后深入至基因的系统研究，为植物氮代谢对重金属胁迫响应研究提供系统的、完整的、分子水平的基础研究数据。