铁对水稻根系镉吸收的影响及作用机理

The chemical behavior and uptake process of iron play an important role in phytoavailability of cadmium (Cd), and then influence the Cd uptake by roots. To further understand the effects of iron on cadmium uptake and its mechanism is important to prevent the toxicity of Cd entering food chain in acidic soil. In this program, we employed a combination of stable isotopic tracer techniques, tissue staining, ICP-MS to investigate and quantify the effect of iron on the translocation of Cd in roots apoplast pathway. Second, we will isolate and identify the root exudates using GC-MS, measure the components of cell wall using FTIR and the cell wall pectin methylation, to make clear the effects of iron on the Cd compartmentalization through root exudates and the chemical properties of cell wall. At last, we will explore the molecular mechanism of iron regulating the cadmium uptake in rice roots using comparative transcriptome combined with morphophysiologyical analysis. Our finding will shed light the mechanism of iron affecting Cd uptake in rice roots and provide the development approaches for reducing Cd accumulation in rice.

土壤—植物系统铁的形态转化和迁移转运过程对土壤中镉（Cd）有效性和作物根系吸收镉具有重要影响。研究铁调控水稻根系镉吸收的效应与作用机理对解决污染土壤镉的毒害及阻控Cd进入食物链具有重要意义。本项目拟采用稳定同位素（Leadmium TM）示踪、组织荧光染色及 ICP-MS 等研究手段，探明铁对镉在根系质外体及体内分布的影响；结合根系分泌物的分离与鉴定（GC-MS），根系细胞壁化学组分的测定（FTIR）及细胞壁果胶甲基化测定，明确铁通过根系分泌物及细胞壁的化学性质影响镉质外体区室化作用；通过比较不同铁处理条件下水稻根系差异表达基因，重点关注金属结合细胞壁的修饰基因，镉吸收转运蛋白和相关转录因子及参与根系分泌物合成与外排的基因的响应，揭示铁调控水稻镉吸收的分子途径及质外体镉迁移的分子机理，最终为阻控镉进入食物链提供理论依据。

镉（Cd）是植物的非必需元素，主要通过Fe、Mn 和 Zn 等必需元素的转运蛋白进入细胞。铁是水稻土壤中最丰富的元素之一，Fe 的形态转化和迁移转运过程对土壤中镉的有效性和植物吸收、运输和累积镉具有重要影响。目前，铁对水稻镉吸收的研究仅停留在现象表型方面，而铁调控水稻镉吸收的作用机制需深入强化。水稻铁的生物强化和镉毒害的缓解对人体健康至关重要，因此有必要全面研究铁施肥对水稻镉吸收和分配的作用机理。我们通过营养液培养，研究了低镉（1 μM CdCl2）条件下，不同铁水平（5μM, 50μM, 500μM EDTA-Na2Fe）下水稻根表铁锰膜、细胞壁、有机酸及镉转运相关基因的表达对是如何限制镉的吸收和累积。充裕的铁（500μM）显著降低了水稻地上部镉含量，主要是因为铁的施加一直了镉从根系向地上部的转运。与缺铁（5μM）相比，铁充裕显显著增加根系离子态果胶的含量，氮降低了根系柠檬酸（CA）的含量，因此铁充裕使根细胞壁固定更多镉，从而降低镉在木质部的流动。更重要的发现是柠檬酸是植物铁介导的镉的主要螯合剂，而不是通过降低pH。不论环境中铁缺乏还是充裕，都促进了水稻根系对镉的吸收，但缺铁条件下，镉转运相关基因表达上调，当铁充裕是，镉通过根表铁膜的形成在根中富集。因此，优化土壤环境铁可以通过将镉固定在植株根中，有效降低镉在地上部的积累。