小麦品种间镉的亚细胞分布特征、运输形态及基因TaHMA表达差异研究

Cadmium （Cd） is an important environmental pollutants, and easily absorbed by the plant and accumulated in the seeds, posing a serious health danger to human beings. A better understanding of Cd uptake, Cd transfer from root to shoot, and long-distance transport is needed for developing strategies for decreasing Cd accumulation in food crops. In previous researches, we found the cell structure damage and Cd cellular/subcellular-distribution induced by Cd treatment in the root, which can affect the ability of Cd transport between cells . Therefore, this project aims to explore the differences of Cd uptake and transport among different wheat varieties, by studying the Cd distribution, Cd speciation in the xylem sap and expression file of heavy metal transporter gene. We will first study the cell struture damage and Cd cellular/subcellular-distribution induced by Cd treatment with the Cd immunohistochemical method. And then we’ll analyze the organic acid composition in the xylem and phloem sap and Cd speciation in the plant around the stem base and node 1, which are important positions for the Cd transport from root to shoot, and Cd translocation to the seeds. Finally we’ll study the expression of TaHMA1~4 induced by the Cd treatment. The results of this research may help to reveal the mechanisms involved in the Cd transport and accumulation, and might even lead to treatments for the reduction of Cd accumulation in crop seeds.

重金属镉极易为粮食作物吸收而储积于籽粒，然而作物对镉的吸收、转运机制仍缺乏深入研究，尤其是镉的长距离运输过程，包括由根向地上部组织的运输及通过木质部—韧皮部向籽粒的转移。申请人前期研究发现，镉胁迫下小麦根部细胞超微结构的变化以及镉在亚细胞水平的分布特征会影响镉在小麦细胞间的运输。本项目拟在此基础上，围绕探索不同小麦品种中镉转运积累效率不同的机制，从镉的组织细胞分布特征、镉的运输形态、以及重金属跨膜离子运输蛋白基因表达三个方面进行研究。以镉积累特性不同的小麦品种为材料，首先观察镉胁迫下不同组织部位的细胞超微结构变化和镉的亚细胞分布特征；然后针对“镉从根部向地上部转运”和“镉向籽粒转移”两个关键步骤，选取茎基节和穗茎节，分析导管中镉赋存形态和植株中镉化学形态的变化；最后分析基因TaHMA1~4在镉胁迫下的时空表达特征。研究结果可为通过基因改良途径和化学调控途径降低小麦籽粒镉含量提供理论。

重金属是环境与农产品的一个重要污染物质，与其他重金属元素相比，镉在土壤中的移动性极强，且极易为作物吸收而储积于收获部位。植物吸收和累积重金属存在显著种内差异，研究并利用这种种内的差异是培育籽粒镉低积累品种的重要方法之一。主要研究结果如下：.1、两个品种小麦的籽粒Cd含量在三年试验中都体现了显著性差异，通过将小麦植株分为籽粒、颖壳、茎节、节间、叶片和根等部位，测定重金属Cd含量，在此基础上分析各个主要茎节在阻抗Cd向地上相邻部位运输的能力中发现，茎基节和穗位节在抑制镉向地上部的转运起着至关重要作用，但品种间不存在显著性差异，籽粒Cd含量的品种间差异是根系对Cd的吸收差异导致。此外，相较于其他部位，茎节和叶片在储存Cd中发挥着较大的作用，叶片的储存能力对Cd胁迫存在积极的响应，叶片中的Cd主要以果胶酸态、与蛋白结合态或吸附态存在，并主要分布在细胞壁中。.2、基于茎节在阻抗Cd运输中的重要性，本项目以低积累品种为材料，利用Solexa lllumina平台，进行了相关的转录组学分析，发现这些unigenes主要参与基本生理和代谢过程，次生代谢物的生物合成途径和元素营养的运输过程。所获得的转录组数据为下一步研究小麦响应镉胁迫的分子机理，以及特定响应过程中关键基因的辨析提供了重要基础。.3、通过水培试验进行品种对比，结果表明：镉诱导的根系形态变化、转运蛋白基因TaHMA2、TaHMA3、TaLCT以及植物螯合态合成基因TaPCS的表达模式，对小麦镉的吸收及转运分配都起着重要的作用。.4、翻译调控瘤蛋白是一种广泛存在于真核生物中的组胺释放因子，可通过转录和翻译水平上的调控以响应各种胞内外信号和环境变化。本研究克隆了TaTCTP基因，通过BSMV介导的基因沉默技术和酵母双杂技术，发现TaTCTP可通过调控单铜氧化酶前体、醛酮还原酶来影响小麦对重金属胁迫的响应。