伴矿景天根系特征与Cd高效吸收转运的互作机制解析

Metal hyperaccumulators, series of highly specialized plant species, are known for their highly efficient toxic metal uptake and translocation. Elucidation of the underlying mechanisms would essentially facilitate phytoremediation and biofortification technologies. Using a novel Cd/Zn hyperaccumulator, Sedum plumbizincicola, specifically found in eastern China, we identified several novel mechanisms that haven’t been discovered in Brassicaceae hyperaccumulators. Moreover, we observed that compared to its non-hyperaccumulating control, S. plumbizincicola plants have much more root biomass, but the relative Cd uptake efficiency did not differ, implying that S. plumbizincicola enhances its Cd uptake by investing more resources to root development, which is not energy efficient but has been repeatedly observed in other mineral element efficient plants including nitrogen efficient tomatoes. So it comes to the questions that what is the physiological importance of this phenomenon, and what the underlying mechanisms might be? The current proposal aims to address these questions by comparative transcriptomics and ionomics.

重金属超积累植物作为一种高度特化的植物资源，其高效吸收和转运重金属的机理解析将极大促进重金属植物修复和农作物生化强化技术的发展。基于对我国特有的Cd/Zn超积累植物伴矿景天的前期研究，我们已经揭示了一些有别于十字花科超富集植物的新机制。不仅如此，我们还发现相对于其非超积累植物对照，伴矿景天的根系特别发达，但是单位根系的Cd吸收速率并没有显著增加，预示着伴矿景天可能通过增大根系的总量来实现Cd的高效吸收和转运。此现象并不节能，而且在氮高效番茄中也多次被观测到，预示可能是植物实现矿物质高效吸收的一种通用机制，但是其存在的生理学意义和分子调控基础是什么？目前一无所知。本项目拟在前期基础上，通过比较转录组学和比较离子组学，探索解答相关的科学问题。

超积累植物富集和耐受重金属机理的解析将促进植物修复技术的发展和为作物改良提供基因资源。根部对重金属高效的吸收是超积累植物地上部实现超积累的关键。对十字花科模式超积累植物天蓝遏蓝菜和叶芽鼠耳芥的研究表明，它们通过提高根部介导 镉（Cd）吸收的转运蛋白基因的表达丰度从而提高单位生物量的根部对Cd的吸收速率，而这种机制在其他超积累植物中是否保守仍不得而知。伴矿景天是近期在我国发现的一种景天科Cd超积累植物新种，是我国特有的特化种质资源，与十字花科进化距离较远。本项目研究发现，伴矿景天与其近亲非超积累植物相比，其单位生物量的根部对Cd的吸收速率并没有显著差异，暗示伴矿景天可能采取了与十字花科截然不同的根部快速、高效地吸收Cd的策略。进一步研究证实，伴矿景天根部较大的生物量保证了其对Cd快速高效的吸收，而根部大量向地上部转移Cd的能力保证了其对Cd持续高效的吸收。此外，我们通过伴矿景天酵母表达cDNA文库筛选克隆了一个特异提高Cd抗性的基因SpMT2，并详细研究了其在酵母中的作用机理以及在伴矿景天中的表达模式，并推测SpMT2可能在伴矿景天细胞质中螯合Cd，在降低Cd毒害的同时保持Cd在细胞质中的流动性从而促进Cd的高效转运。综上，通过本项目研究，我们发现并阐述了一种超积累植物高效吸收重金属的全新生理机制，基于本项目研究而引出的更多的科学问题势必将引起科学界的兴趣。同时，本项目中克隆的Cd抗性基因由于其Cd特异性，在未来作物改良中有广阔的应用前景。