《Science of the Total Environment》
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)在國(guó)際著名雜志《Science of the Total Environment 》發(fā)表了鎘脅迫對(duì)兩種煙草品種的轉(zhuǎn)錄、生理和超微結(jié)構(gòu)的影響。
鎘（Cd）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康的潛在危害是不可估量的，有數(shù)據(jù)表明中國(guó)超過(guò)16.1%的農(nóng)田受到重金屬污染，近年來(lái)由于采礦、冶金、垃圾焚燒、污水灌溉以及農(nóng)藥和化肥的過(guò)度使用，鎘已成為中國(guó)農(nóng)地的主要污染物之一，與其他重金屬相比，Cd具有更強(qiáng)的遷移率。煙草是重要的經(jīng)濟(jì)作物，鎘能抑制煙草生長(zhǎng)，降低煙葉品質(zhì)，且鎘可以伴隨煙霧影響吸煙者健康以及污染周?chē)h(huán)境，因此了解煙草植物，尤其是葉片中鎘積累和耐受的機(jī)制非常重要。
兩個(gè)煙草品種K326（抗鎘）和NC55（鎘敏感）
mRNA測(cè)序，qRT-PCR，TEM，光合效率測(cè)定等
1.鎘脅迫對(duì)K326和NC55生長(zhǎng)的影響
在鎘處理后測(cè)量了煙草的鮮重，在Cd0組中，芽或根的重量沒(méi)有顯著差異，但是Cd50組中，兩個(gè)品種的芽和根的重量顯著降低。此外，盡管兩個(gè)品種之間的根重沒(méi)有顯著差異，但NC55的莖重顯著低于K326（圖1C和E）。K326芽和根的抑制率分別為63.97%和83.62%，NC55芽和根的抑制率分別為73.08%和93.07%（圖1D，F(xiàn)），表明K326比NC55更耐鎘。
圖1鎘脅迫下K326和NC55根和芽中鎘的積累及其對(duì)生長(zhǎng)的影響
2.鎘脅迫下K326和NC55的差異表達(dá)基因（DEG）
對(duì)兩個(gè)品種的葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，結(jié)果表明，Cd脅迫后，K326篩選到3422個(gè)差異基因，其中2116個(gè)基因上調(diào)，1306個(gè)基因下調(diào)；NC55篩選到4880個(gè)差異基因，其中2788個(gè)基因上調(diào)，2092個(gè)基因下調(diào)（圖2A，B）。K326葉片中上調(diào)和下調(diào)DEG的數(shù)量低于NC55葉片，表明K326受鎘脅迫的影響較小。此外，在兩個(gè)品種中發(fā)現(xiàn)了1561個(gè)共有DEG（圖2C），這可能是煙草對(duì)鎘脅迫反應(yīng)的關(guān)鍵基因。這些DEG主要富集在抗氧化、ABA和ZT合成、葉綠素合成和氮代謝等通路上（圖3）。
圖2鎘脅迫下K326和NC55的差異表達(dá)基因
3.鎘脅迫對(duì)K326和NC55抗氧化系統(tǒng)的影響
基于轉(zhuǎn)錄組分析的結(jié)果，本研究檢測(cè)了兩個(gè)品種中POD、APX、GPX和GST的活性。鎘脅迫下，兩個(gè)品種的POD和GPX活性均顯著增加，APX活性顯著下降，但是兩個(gè)品種的GST活性呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，K326中GST活性下降26.84%，NC55中GST活性增加93.99%，如圖4所示。
4.鎘脅迫對(duì)K326和NC55 ABA和ZT含量的影響
在鎘脅迫下，K326中的ABA和ZT含量分別增加了39.98%和3.13倍（圖5）。然而，NC55中的ABA和ZT含量分別降低了57.94%和78.32%（圖5）。該結(jié)果表明，ABA和ZT含量的增加可能是K326耐鎘性增強(qiáng)的重要原因之一。
圖5 煙草葉片中內(nèi)源性激素含量測(cè)定
5.鎘脅迫對(duì)K326和NC55葉綠素含量和光合作用的影響
鎘脅迫導(dǎo)致葉綠素合成受到抑制，并且加速了葉綠素的降解速度，最終導(dǎo)致總?cè)~綠素含量降低，進(jìn)一步抑制了煙草葉片的光合作用（圖6），結(jié)果表明，鎘脅迫下NC55的光合作用受到比K326更嚴(yán)重的抑制。
6.鎘脅迫下鎘轉(zhuǎn)運(yùn)和抗鎘基因的表達(dá)
在鎘脅迫下，煙草中許多鎘轉(zhuǎn)運(yùn)和抗性基因的表達(dá)被激活，以抵抗鎘脅迫的不利影響，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序表明NtHIPP3和NtHIPP6在K326中表達(dá)，但在NC55中表達(dá)被抑制（圖3）。此外，在鎘脅迫下，兩個(gè)品種中都誘導(dǎo)了許多與鎘耐受相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，如MYB、WRKY、bHLH、 NAC，這也可能是煙草應(yīng)對(duì)鎘脅迫的一種機(jī)制。
7.通過(guò)qRT-PCR分析驗(yàn)證DEG結(jié)果
為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果的可靠性，選擇8個(gè)與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)和鎘耐受相關(guān)的基因進(jìn)行qRT-PCR實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示8個(gè)基因的表達(dá)模式與轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果一致（圖7），表明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的結(jié)果是可靠的。
該研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下NC55中NtNRAMP5基因的表達(dá)量顯著高于K326，導(dǎo)致NC55葉片中積累了更多的鎘。同時(shí)，NtNRAMP3a, NtNRAMP3b和NtNRAMP6在NC55中的高表達(dá)增加了NC55對(duì)鎘的敏感性。另外，鎘脅迫下K326中POD活性較高，ROS和MDA積累量較低，ABA含量較高，耐鎘相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（WRKY、MYB、NAC、bHLH）表達(dá)量較高，提高了K326對(duì)鎘的耐受性。導(dǎo)致K326根系和葉片超微結(jié)構(gòu)受鎘損傷程度均低于NC55，氮代謝和光合作用速率均高于NC55。最終導(dǎo)致鎘脅迫下K326生物量顯著高于NC55。這項(xiàng)研究闡明了煙草葉片鎘積累和鎘耐受性的機(jī)理，為培育低鎘積累、高鎘耐受性煙草品種奠定了理論基礎(chǔ)
