杨树对重金属镉富集能力的遗传变异及关联遗传学研究

Owing to the rapid expansion of industrialization and urbanization, soil contamination by heavy metal has become a serious environmental problem world-wide. Phytoremediation, as a cost-effective, environmentally friendly and clean method, has been favored in the research and application of heavy metal remediation. Fast-growing woody plants such as poplar, which have high biomass, extensive root system and are amenable to solution after harvesting, have the potential to be an ideal plant for phytoremediation of metals. However, no study has been carried out systematically on the genetic variation of metal accumulation between populations/individuals in poplar. Thus, based on the previous studies from our research team, this project will conduct the study on the variation of cadmium accumulation between populations/individuals in populus cathayana systematically and the candidate-gene based association between gene polymorphism and variation of cadmium accumulation. The findings in this project would be expected to provide some theoretical evidence benefiting the selection of poplars with high cadmium accumulation in plants.

随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染已经成为当今世界一个十分严峻的环境问题。植物修复由于其成本低廉、生态友好和清洁等优点已经成为重金属污染修复研究和应用中最受青睐的技术。速生木本植物如杨树因其生长快速、生物量巨大、根系发达以及收获后容易利用处理等特性，具有成为重金属植物修复理想物种的巨大潜力。但目前杨树对重金属富集能力在种群间/个体间的遗传变异缺乏较为系统研究，因此本项目提出结合研究团队的研究基础，以青杨（Populus cathayana）为研究对象，从群体遗传学的角度系统地开展杨树对重金属（镉）富集能力在种群间/个体间遗传变异的研究，并利用基于候选基因的关联遗传学方法开展性状变异与基因位点多态性之间的遗传关联分析，探究青杨对镉富集能力在种群间或个体间的遗传变异情况及其分子遗传学基础，为选育具有更高镉富集能力的杨树品系提供理论依据。

杨树生长快速、生物量巨大、根系发达等特性使其成为土壤重金属污染修复的一个潜在理想物种，但有关杨树重金属富集/耐受能力遗传变异的系统研究和分子机制探究较为缺乏。本项目以4个种群的各30个青杨个体为研究材料，设置0、25和50mg/kg三个镉浓度处理，通过扦插盆栽实验开展了青杨镉富集/耐受能力的遗传变异研究；并对120个青杨个体进行简化基因组测序获取SNP标记开展性状的遗传关联分析，以及对24个青杨样品进行转录组测序开展差异表达分析。主要研究结果如下：1）青杨具有很强的镉耐受能力和较强的镉富集能力，高达50mg/kg的镉处理总体上不仅没有抑制青杨生长，反而很大程度地促进了青杨的生长，且表现出随着土壤镉含量的增大生长促进增大或由抑制转为促进的趋势；2）青杨的镉富集/耐受能力在种群间和个体间都存在着十分显著的遗传变异，且个体间变异一般要大于种群间的变异；3）部分个体可能表现出以富集策略来应对镉胁迫，部分个体以拮抗策略来应对镉胁迫；4）120个青杨个体简化基因组测序共获得385.77Mreads数据，平均测序深度17.88x，共获得220 429个SLAF 标签和206 458个高一致性的群体SNP；5）24个样品的转录组测序共获得203.48Gb Clean Data，与参考基因组比对获得新基因569个，351个新基因得到功能注释，32个比对找到3~80个数量不等的差异表达基因。研究结果为后续开展基于青杨的土壤镉污染修复能力的选育工作提供了科学依据，性状关联位点和基因的挖掘有待进一步开展。