2023-12-12
《Environmental Pollution》
影響因子：8.9
文章題目 Differentially-expressed genes related to glutathione metabolism and heavy metal transport reveals an adaptive, genotype-specific mechanism to Hg2+ exposure in rice 技術手段 RNA-Seq 西南大學在《Environmental Pollution》上發表了谷胱甘肽代謝和重金屬轉運相關差異基因揭示了水稻對Hg2+暴露的適應性、基因型特異性機制的研究成果。本研究的轉錄組測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
01、研究背景
汞通過自然和人為活動釋放到大氣、土壤圈和水圈中,并可以通過大氣運輸進行長距離遷移，因此汞被認為是一種全球性污染物。汞可以轉化為劇毒的甲基汞(MeHg)，甲基汞可以通過食物鏈進行生物積累和生物放大，對生態系統和人類造成嚴重威脅。食用水產品被認為是人類接觸汞的主要途徑，然而水稻也具有積累汞的能力，食用受汞污染的水稻逐漸被認為是人類汞暴露的另一重要途徑。 通過自身遺傳特性篩選重金屬耐受性高、積累量低的作物品種，是減少食物鏈中重金屬積累、保障人類健康的有效措施。最近的研究表明，不同水稻品種對汞的吸收具有基因型穩定性，這表明具有低汞積累能力的水稻品種可以降低消費者的汞暴露風險。然而，目前關于汞對水稻的毒性研究主要集中在汞對水稻生理生化過程的影響、汞吸收的種類、汞的生物放大效應等方面，對汞吸收、轉運、積累和耐受的分子機制報道較少。因此，有必要進行深入研究。
02、技術路線
03、研究結果
1.高、低汞積累能力水稻品種篩選 水培條件下，在0.1 mg/L Hg下，261個水稻品種的地上干重范圍為5.73-21.78 mg/plant，THg濃度范圍為21-3138 μg/g。在10 mg/L Hg處理下，地上干重范圍為 0.97 - 18.28 mg/plant。THg濃度范圍為1618 - 82,222 μg/g。結果表明，不同基因型水稻地上生物量和THg水平差異較大，且隨汞暴露量的增加而增加。 11種高富集和10種低富集水稻品種的土壤培養結果顯示。Hg濃度為0.3 mg/kg時，地上部干重為1.14 ~ 3.83 g，莖部THg濃度為1.85 ~ 6.44 μg/ g。在30 mg/kg Hg處理下，地上部干重為0.90 ~ 3.14 g，THg濃度變化范圍為8.94 ~ 33.22 μg/g。通過聚類分析，選擇地上生物量相近、THg含量差異較大的H655和H767分別作為高、低汞積累體。 2.H655與H767的汞積累能力比較 在相同汞濃度下，H655和H767的根和莖干重差異不顯著(圖1a, 1b)，但H655的THg濃度顯著高于H767，特別是在莖部(圖1c, 1d)。在0.1和10 mg/L Hg處理下，H655莖部THg濃度分別是H767的3.9和3.0倍，根部THg濃度分別是H767的2.8和2.4倍。結果表明，H655和H767對汞的反應表型相同，但對汞的積累能力存在顯著差異。 圖1 營養液培養H655和H767幼苗生物量和THg積累 3.H655和H767之間的差異表達基因(DEGs) 在沒有汞暴露的情況下，在H655和H767之間發現6575個DEGs，包括3631個上調基因和2944個下調基因（圖2a）。在汞暴露下，H655和H767之間的DEGs數量減少到4829個，包括3167個上調基因和1662個下調基因(圖2a)，其中3290個基因共表達(圖2c)。在汞處理條件下，H655中鑒定出2987個對汞敏感的DEGs，包括1523個上調基因和1464個下調基因(圖2b)。在H767中，記錄到2348個汞應答基因，包括1571個上調基因和777個下調基因(圖2a)，其中788個基因在兩種基因型中對汞暴露有共同反應(圖2d)。 圖2 H655和H767差異表達基因(DEGs)摘要 4.H655對汞暴露的反應能力超過H767 Hg暴露顯著提高了H655和H767之間與ADP結合、碳水化合物衍生物結合、硝酸鹽跨膜轉運蛋白活性等生物過程相關的DEGs(圖3a)。氧化損傷和抗氧化參數的測定結果顯示，汞暴露對H655和H767造成不同程度的氧化應激，對H767的影響更強，脂質過氧化更嚴重（圖3c-e）。 轉錄組結果顯示，H655中過氧化氫酶(OsCAT)的相對表達水平在0.1和10 mg/L Hg下分別比H767上調4.67和23.33倍(圖3h)，導致H655的CAT活性比H767高39.0%和44.0%(圖3g)。汞暴露降低了兩種水稻基因型中SOD的活性(圖3f)。然而，OsMn-SOD和OsCu/Zn-SOD在H655中的相對表達量顯著高于H767(圖3j, 3k)。顯然，H655的抗氧化系統對汞脅迫的反應強于H767，因此比H767更能減輕汞暴露造成的氧化損傷(圖3b)。 圖3 H655和H767對汞脅迫的DEGs和氧化應激功能分析 5.高汞蓄積基因型H655的谷胱甘肽水平及其氧化還原狀態對汞暴露更敏感 Hg處理下，H655的半胱氨酸和蛋氨酸代謝酶、苯丙氨酸代謝酶、吲哚生物堿合成酶等的表達水平顯著升高，而H767的表達水平不顯著升高。半胱氨酸和谷氨酸在H655中的表達水平明顯高于H767(圖4a)。與H767相比，H655中GSH含量增加(圖4b)，GSH合成酶和GR表達增加(圖4f, 4g)支持了這一結果。與此一致，H655和H767相比，暴露于Hg的水稻中GR活性增強(圖4e)以及兩種水稻基因型中GSSG含量同時降低(圖4c)。因此，GSH/GSSG比值也顯著增加，特別是在H655中(圖4d)，表明GSSG對GSH的還原增強。與對照組相比，H655組有26個GSH轉移酶上調，而H767組只有16個(圖4i)。 研究結果表明，在汞暴露下，GSH代謝相關基因的表達在高汞蓄積物H655中顯著增強，從而介導了GSH含量的增加，并增強了H655通過GSH轉移酶螯合Hg與GSH的能力(圖4i)。因此，H655對汞的抗性比H767強，但積累的汞量更高。 圖4 H655與H767之間DEGs的KEGG通路與谷胱甘肽代謝差異 6.H655與H767之間汞轉運基因表達的差異 在H655和H767中共鑒定出27個與鉀、鈣、鎂等金屬吸收和運輸相關的基因，以及20個其他可能參與汞運輸和分布的基因(圖5b )。重金屬轉運基因OsYSL2、OsYSL15和OsMDR4，氨基酸轉運蛋白OsProT1、OsGAT4和OsGAT1，生長素轉運蛋白OsLAX3，金屬硫蛋白OsMT1和硝酸鹽轉運蛋白OsNRT2.4在H655中的表達高于H767（圖5a, 5b）。因此，汞暴露后H655的汞傳遞系數(TF)明顯高于H767(圖5c)。上述結果表明，H655轉運基因的高表達促進了汞從根向莖部的轉移，從而增加了莖部汞的積累。 圖5 H655和H767金屬轉運體基因表達的差異
04、結 論
在汞脅迫下，兩種水稻基因型的活性氧(H2O2)的產生增加了MDA含量，從而加劇了過氧化對膜的損傷。然而，H655中抗氧化酶和GSH代謝相關基因的上調表達，使H655的抗氧化酶活性(CAT、SOD)和GSH含量高于H767，從而增強了H655對Hg的耐受性。另一方面，GST和PCS的高表達催化H655中Hg與GSH結合，從而誘導轉運體基因YLS2在H655中上調表達。增加了該水稻基因型的汞轉運和積累能力。因此，H655的地上部組織中汞的積累量超過H767(圖6)。本研究通過對汞脅迫下水稻品種的生理和分子特征的研究，揭示了水稻對汞脅迫的適應機制，有利于制定培育耐汞水稻品種的新策略。 圖6 高、低汞富集水稻品種對汞脅迫的響應模型
原文索引：
Wang S, Yao H, Li L, Du H, Guo P, Wang D, Rennenberg H, Ma M. Differentially-expressed genes related to glutathione metabolism and heavy metal transport reveals an adaptive, genotype-specific mechanism to Hg2+ exposure in rice (Oryza sativa L.). Environ Pollut. 2023 May 1;324:121340. doi: 10.1016/j.envpol.2023.121340. Epub 2023 Feb 22. PMID: 36828354.
