还原型谷胱甘肽缓解玉米镉毒害机理研究

Soil cadmium (Cd) pollution poses a severe detrimental influence on environment, safety food production and human health. In this study, a series of experiments will be conducted with the main contents as follow: To elucidate physiological mechanisms of alleviation effects of reduced glutathione (GSH) on Cd stress in maize, by characterizing physiochemical characters, including antioxidant enzymes, photosynthesis related parameters, ultrastructure, and Cd uptake and translocation via hydroponic and pot experiments of exposing maize to control, GSH, Cd and Cd+GSH; To identify specific low-Cd-accumulation related proteins using isobaric tags for relative and absolute quantitation technique (iTRAQ) and further perform genetic transformation in rice; To identify specific long non-coding RNA (lncRNA) in response to Cd and GSH using lncRNA sequencing and predict target mRNAs; To investigate the effects of GSH on metabolome and metabolic pathways under Cd stress. These results will provide valuable insights towards physiological, biochemical and molecular mechanisms in low-Cd-accumulation in maize and provide theoretical basis and technology support for the agricultural application of exogenous GSH alleviates maize Cd toxicity and for maize safe production.

土壤镉污染严重影响农产品的安全生产和人类健康。本研究以玉米品种农大108为材料，谷胱甘肽（GSH）缓解玉米水培镉胁迫试验，探讨抗氧化酶活性、光合作用参数变化等与镉积累和耐性等的关系，明确GSH缓解镉毒害的生理与生化机制；采用同位素相对标记与绝对定量蛋白组学技术（iTRAQ）比较GSH缓解镉毒害后蛋白表达谱的变化，分离鉴定镉低积累相关特异蛋白质，并进一步进行水稻遗传转化；利用长链非编码RNA（lncRNA）测序技术，阐明参与调控镉胁迫下GSH缓解镉毒害的lncRNAs，并深入探讨相关靶基因功能；利用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS），研究镉胁迫下代谢组对GSH的响应及对关键代谢途径的影响。研究结果将完善玉米镉低积累的研究理论，揭示镉毒害过程中玉米组织生理-lncRNA-蛋白质-代谢物的响应机制，发掘镉低积累相关特异蛋白，为GSH缓解玉米镉毒害的农业应用和玉米安全生产提供理论依据和技术支撑。

土壤镉污染是全球性的环境与农产品安全生产问题。镉被吸收后可积累在作物的可食用部位，通过食物链威胁人类健康。本研究以玉米品种农大108为材料，阐明了还原型谷胱甘肽（GSH）缓解镉毒害的机理；在筛选获得玉米籽粒镉低积累和高积累基因型的基础上，研究了玉米耐镉与籽粒镉低积累的生理与分子机理及关键基因。结果表明，外源GSH能显著缓解镉胁迫对玉米生长的抑制，表现为生物量、光合作用能力、细胞活力、GSH含量、γ-GCS活性等与单独镉处理相比显著增加，而过氧化氢、超氧阴离子、胼胝质、MDA、SOD和POD活性、地上部镉含量等均显著降低。叶片和根尖细胞超微结构显示GSH显著缓解了镉胁迫引起的叶肉细胞和根尖细胞损伤；显著降低镉胁迫引起的ABA和乙烯的释放；显著提高镉耐性相关基因表达水平，如植物螯合肽合成酶、WRKY、热激蛋白和MYB转录因子等。GC-MS结果显示，与单独镉处理相比，添加GSH显著降低根部苏糖酸等10种代谢物，而增加根部GSH等14种代谢物和地上部3-磷酸甘油酸酯等5种代谢物含量。为明确玉米籽粒低镉积累机理，分析测定了95份玉米自交系籽粒镉含量，成功筛选到高积累（自交系L42）和低积累基因型（L63），进一步采用水培镉胁迫试验，发现L63对镉的耐性显著强于L42，且具有较低的地上部镉含量；细胞超微结构显示镉胁迫对L42的损伤显著高于L63；镉胁迫后L42根系ABA、JA含量和乙烯释放量显著增加且明显高于L63，L63中乙烯释放量和GA3含量显著增加，而JA含量下降。利用转录组测序、qRT-PCR等技术，筛选获得镉低积累和耐性相关基因；采用PCR技术从L63中分离克隆了镉低积累和耐性关键基因ZmCTR1、ZmUN1和ZmUN2，并在水稻中进行了遗传转化（已获得T1代种子）。研究结果揭示了GSH缓解玉米镉毒害及玉米籽粒镉低积累的机理，加深了玉米镉低积累和耐性分子机制的认知，并为培育镉低积累玉米新品种提供理论基础。