杂交杨吸收、转运与积累重金属镉的生理与转录组调控机制

Cadmium (Cd) pollution in soil is a serious problem in China. Cd-polluted soil urgently needs to be remediated. In soil, Cd can be taken up by roots of a hybrid poplar (Populus deltoides × P. cathayana), subsequently transported to and accumulated in aboveground plant tissues. Cd can be removed from soil by harvesting aboveground tissues of poplar plants. The physiological and transcriptomic mechanisms remain to be elucidated of this poplar species to absorb, transport and accumulate Cd. In this study, using non-invasively scanning ion-selective electrode technique and Affymetrix gene chips, spatial and temporal dynamics in absorbing Cd2+, Cd accumulation, growth and transcriptomic changes will be investigated in fine roots, phloem and leaves of poplar plants. The spatial and temporal patterns of Cd uptake, mechanisms of physiological and transcriptomic adaptation to Cd accumulation will be elucidated in P. deltoides × P. cathayana. The findings of this study will be significant for better understanding the physiological and transcriptomic mechanisms of woody plants to accumulate Cd. The output of this study will also be useful for selection of woody plants with high capacity of Cd accumulation in aerial part of plant to remediate Cd-polluted soil.

我国许多土壤受镉(Cd)污染严重，急需治理。杂交杨（Populus deltoides × P. cathayana）能大量吸收、转运与积累Cd，可修复Cd污染土壤，但其生理与转录组调控机制尚不清楚。本项目拟以杂交杨为试材，针对细根吸收Cd的时空动态规律以及转录组水平上关键基因调控网络等关键科学问题，采用非损伤离子选择性电极和基因芯片等技术，在分析不同Cd浓度条件下杂交杨细根、树皮和成熟叶中Cd含量的基础上，以细根对Cd吸收的时空动态为切入点，分析杨树细根对Cd的吸收特征，揭示细根对Cd的吸收规律；同时，分析杨树吸收、转运与积累Cd过程中转录组水平上相关基因的差异表达调控，找出关键基因网络并揭示其表达调控规律；最终阐明杂交杨富集重金属Cd的生理与转录组调控机制。项目的实施不仅对完善植物富集有毒重金属的生物学理论意义重大，对应用镉富集能力强的林木树种修复Cd污染土壤也有重要实践意义。

我国许多土壤受镉(Cd)污染严重，急需治理。杂交杨能大量吸收、转运与积累Cd，可修复Cd污染土壤，但其生理与转录组调控机制尚不清楚。本项目以杂交杨为研究对象，对其吸收、转运和积累Cd的生理与转录组调控机制进行了较深入的研究，圆满完成了各项研究任务，取得了以下主要成果：.杂交杨细根在距根尖0-900 μm处，对Cd2+的吸收最强，达到72.8 ± 7.5 pmol Cd2+ cm-2 s-1，而在距离根尖900 μm以后的区间（900-2100 μm），细根对Cd2+的吸收显著降低。杨树根尖吸收的Cd一部分在根中积累，浓度达到1153.3 ± 141.5 μg Cd g-1 DW水平；还有一部分通过根系木质部导管随蒸腾流进入地上部分，尤其是树皮和成熟叶中，浓度分别达到201.6 ± 0.1和185.0 ± 0.4 μg Cd g-1 DW。.Cd处理后，细根、树皮和成熟叶组织中分别有1039、871和1000个基因显著差异表达。在细根中，有636个基因显著上调表达，393个基因显著下调表达。在树皮中，有505个基因显著上调表达，366个基因显著下调表达。在成熟叶中，有610个基因表达显著上调，390个基因表达显著下调。在细根中，310个基因形成了一个Cd响应的协同表达调控网络，其中有57个核心基因，主要参与RNA转录调控、蛋白合成与修饰以及信号转导等关键生物学过程。在杨树皮中，234个基因形成了一个Cd响应的协同表达调控网络。其中有43个核心基因，主要参与杨树皮应对Cd胁迫的关键生物学过程的协调。有10个核心基因与信号转导过程有关，包括一个细胞壁相关激酶、一个Rab GTPase活化因子和一个叶绿体感应激酶编码基因。在杨树叶中，246个基因形成了一个Cd响应的协同表达调控网络，其中有49个核心基因，主要参与RNA调控和信号转导等生物学过程，包括转录因子锌指蛋白10、GRAS、wall-associated kinase和calcium-dependent protein kinase 20。.上述研究结果表明，生理调节和转录组调控在维持杨树根尖吸收、树皮和叶积累镉过程中起关键作用。相关研究结果在国内外高水平期刊上发表SCI论文14篇。上述研究成果不仅对完善植物富集有毒重金属的生物学理论意义重大，对应用镉富集能力强的林木树种修复Cd污染土壤也有重要实践意义。