J. Hazard. Mater.|褪黑素预处理通过调控棉花幼苗镉中毒的关键生理生化和分子途径来拯救棉花幼苗

论文内容

研究背景：

土壤中高镉浓度会干扰水分，养分吸收会抑制根呼吸，损害转录和信号通路。当镉离子转运到地上部分时，会损害脂质膜细胞器，抑制叶片光合能力、叶绿素荧光和植物整体生长。在分子水平上，Cd暴露可诱导植物根系中胁迫应答基因的表达，即植物根系中茉莉酸的合成。一些植物具有特定的Cd检测、运输和解毒机制。具体来说，Cd离子通过根进入，被装载到木质部组织，然后扩散到整个植物体，改变细胞氧化还原稳态，诱导植物组织中的活性氧(ROS)。为了克服这些有毒的ROS，植物进化出了由抗氧化酶和非酶成分组成的抗氧化防御系统。然而，这种防御系统可能对过量的Cd水平无效，并且在长期Cd污染的土壤中生长的植物可能会经历生长和产量的显着下降。因此，迫切需要一种有效的策略来缓解镉胁迫对植物生长发育的影响。

褪黑激素是一种有效的生物活性和无毒分子，在动物和各种植物组织的松果体中产生。外源应用褪黑激素可以通过增加酶的抗氧化活性、调节氧化还原稳态和修复受损的线粒体来保护植物免受胁迫诱导的损伤。由于其结构与生长调节剂相似，褪黑激素可以通过与吲哚乙酸(IAA)受体结合来调节植物的代谢活动。例如，褪黑激素可以通过调节IAA合成来促进根系发育。早期研究表明外源应用褪黑激素可以抑制Cd转运基因IRT1，减少Cd在植物组织中的积累。同样，外源性褪黑激素可以通过激活与抗氧化防御系统相关的几个基因，即谷胱甘肽和植物螯合素，以及下游信号，如一氧化氮(NO)、过氧化氢(H2O2)和水杨酸(SA)，在逆境植物中重新建立氧化还原稳态。Cd+褪黑素处理显著上调苜蓿中ABC转运蛋白和PCR2转录本，以及拟南芥中PDR8和HMA4转录本。相反，它在苜蓿幼苗中下调了Nramp6转录本和Cu/Zn超氧化物歧化酶基因。在红花幼苗中，SA和褪黑激素之间可能存在协同作用，通过加速抗坏血酸-谷胱甘肽循环，保护植物免受Cd诱导的伤害。这些发现表明，褪黑激素可能抑制植物组织中Cd的摄取和转运。尽管研究了褪黑激素对重金属胁迫植物的积极作用，但其胁迫调节机制仍未被彻底探索。

此外，参与调节Cd胁迫耐受性的潜在生化和分子途径，特别是当根是Cd暴露部位时，尚未确定。本研究旨在(1)确定棉花幼苗Cd胁迫响应的生理生化和分子途径;(2)探索褪黑素减轻棉花幼苗Cd离子毒性的可能机制;(3)鉴定Cd胁迫响应的相关基因。在此基础上，我们提出了褪黑素保护棉花幼苗免受cd损伤的调控网络示意图。

研究内容：

褪黑素是一种植物/动物源激素，通过保护植物免受氧化损伤来调节植物对非生物胁迫的反应。研究了褪黑激素诱导棉花幼苗对镉胁迫的抗性和脱毒的理化和分子机制。棉花幼苗在水培培养基中接受Cd(100µM)胁迫8天，分别用褪黑素(15µM)和不褪黑素(15µM)预处理。研究发现，较高的细胞Cd积累对棉花幼苗的生长和生理有明显的抑制作用。与此相反，在cd污染环境下，褪黑激素处理的幼苗保持了叶片光合能力，产生的鲜重(17.4%)和干重(19.3%)相对高于未处理的幼苗。生长和叶片功能的改善与褪黑激素诱导的根系Cd转运蛋白基因（LOC107955631，LOC107899273，LOC2）的抑制密切相关。因此，褪黑素诱导的Cd转运基因下调进一步抑制了Cd离子向叶组织的转运。这表明，差异表达转运基因(DEG)是褪黑激素介导的棉花镉转运和固存调控的关键驱动因素。褪黑素还通过降低组织丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)水平，提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性，保护棉花幼苗免受Cd诱导的氧化损伤。转录组学分析显示，褪黑素激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路，模拟Cd胁迫叶片气孔调节和光合作用。此外，褪黑激素通过促进核糖体生物合成和提高翻译效率，保护细胞间器官，特别是核糖体免受cd诱导的氧化损伤。研究结果阐明了褪黑素介导植物Cd胁迫耐受的分子基础，为棉花Cd积累的有效策略提供了关键。

研究结论：

这是首次尝试确定褪黑激素诱导棉花幼苗耐Cd胁迫的理化和分子基础。研究发现，Cd离子在叶片中的积累会因细胞器的氧化损伤而影响生物量的同化和植物的生长。褪黑素通过下调根组织中Cd离子转运基因减少Cd向叶组织的转运，从而促进幼苗生长。几个候选的编码转运蛋白的DEGs被确定为褪黑激素介导的棉花中Cd运输和封存的关键驱动因素。此外，我们还发现褪黑素上调cd胁迫幼苗中的几种抗氧化酶，以清除ROS并维持rRNA的生物发生。本研究将有助于明确植物Cd获取和积累的分子机制，并为棉花和其他纤维作物Cd积累的遗传管理提供关键。

重金属，即镉(Cd)污染，对生态系统的可持续性、农业生产力和人类构成严重威胁，主要是由于全球范围内不受控制的地质和人为活动。在西北地区采集的19.4%的农业土壤样品中，重金属和类金属污染占82.4%，其中镉是最普遍的(7%)。由于镉的高溶解度和高流动性，植物很容易从土壤中吸收镉，导致其在植物性食物中的浓度增加。因此，确定有效和环境友好的物质，如褪黑激素，保护植物免受镉毒性，将大大有利于全球棉花工业。研究发现，在Cd胁迫下，褪黑素通过抑制Cd转运基因(LOC107894197, LOC107955631, LOC107899273)，抑制Cd离子向叶片的转运，从而维持了叶片的生理生化和分子功能。这提高了镉胁迫条件下植株的生产性能。这表明这些差异表达的转运基因是褪黑激素介导的棉花Cd转运和封存调控的关键参与者。本研究结果将有助于确定植物Cd吸收和积累的分子机制，并为棉花和其他纤维作物Cd积累的有效遗传管理提供基础依据。

转自：“农科学术圈”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！