近日，国家大宗蔬菜产业技术体系品质调控岗位专家、西南大学资源环境学院徐卫红教授团队，西南大学农学与生物技术学院卢坤教授团队、柴友荣教授团队合作在环境领域中科院一区top期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“CaHMA1 promotes Cd accumulation in pepper fruit”的研究论文。本研究对186份辣椒种质果实Cd含量进行全基因组关联分析，结合信号选择、转录组、RT-qPCR分析等筛选到调控辣椒果实Cd蓄积的关键候选基因CaHMA1，并通过酵母、拟南芥中异源表达、辣椒体系VIGS等分子生物学方法和技术，研究并揭示了CaHMA1促进辣椒果实Cd蓄积的分子机制。
关键词：辣椒；Cd含量；数量性状位点；全基因组关联分析；候选基因
镉（Cd）是全球最普遍的重金属污染物。辣椒(Capsicum sp.)是世界上重要的蔬菜和调味品，但易从土壤中吸收Cd并在果实中蓄积。我国辣椒主产区，如贵州、云南、四川、湖南、广西、重庆等地，因其喀斯特碳酸盐岩区具有典型的土壤重金属Cd地质高背景特征，辣椒果实常遭受不同程度Cd污染。因此，培育辣椒果实低Cd蓄积品种是保障我国辣椒产业绿色、清洁、健康发展的迫切需求。然而，目前国内外有关参与辣椒Cd转运和果实Cd蓄积的关键功能基因未发掘，其涉及的主要分子机制尚不明确。
本研究通过对186份辣椒果实Cd表型全基因组关联分析，发现了位于辣椒2号染色体上的CaHMA1 (Capan02g003033)是控制辣椒果实Cd含量的关键基因。转录组分析显示，果实高/低Cd蓄积品种中，富含碳水化合物代谢和光合作用的基因以及Cd2+/Zn2+转运ATPase基因(HMA1)的表达存在显著差异。CaHMA1异源表达增加了酵母对Cd的敏感性。CaHMA1过表达导致拟南芥植株Cd含量显著增加，通过VIGS技术在辣椒果实中沉默CaHMA1基因显著降低了辣椒果实Cd含量，CaHMA1过表达可能是辣椒果实高Cd蓄积的重要机制。本研究阐明了CaHMA1在辣椒果实Cd蓄积中的作用，为果实低Cd蓄积辣椒品种选育提供了新的策略。
西南大学农学与生物技术学院卢坤教授和柴友荣教授为责任通讯作者，西南大学资源环境学院徐卫红教授，黄贺博士、杨梅博士和西南大学农学与生物技术学院黎小东博士为文章的共同第一作者。研究得到了国家自然科学基金项目(32272801)，现代农业产业技术体系项目（CARS-23-B08)、国家重点研发计划项目(2018YFD0201200)和重庆市自然科学基金人才计划项目(cstc2021ycjh-bgzxm0033)的资助。
辣椒种质群体分析(a:系统发育分析;b:群体结构分析;c: PCA分析);基于群体结构和主成分分析的168个辣椒品种地理分布分析(d); 采用SMC+ +推断4个Group的群体演化历史（e）;采用PSMC法推断4个Group的群体演化历史(f)。XJ、CTJ、NJ和TJ分别表示线椒、朝天椒、牛椒和甜椒。
辣椒果实Cd含量的全基因组关联分析和高/低Cd积累品种间的选择性扫描信号(a: GWAS结果的曼哈顿图，候选区域内高于阈值(-log10 (P) = 6.54)的点是与果实Cd含量变异显著相关的SNP); b：Q-Q图; c:跨群体扩展单倍型纯合性(XP-EHH)选择信号的全基因组筛选，使用selscan (v2.0.0)包，以500 kb为滑动窗口，相邻窗口之间有100 kb的重叠。以最大XP-EHH值前5%的窗口作为选择区域，这些区域内的基因作为候选基因; d:跨群体扩展单倍型纯合性(XP-EHH)密度图; e:核苷酸多样性(π)密度选择信号的全基因组筛选;f:核苷酸多态性(π)密度图; g: Chr02和Chr03的GWAS结果的曼哈顿图; h: Capan02g003066和Capan03g000240单倍型热图; i, j: Capan02g003066和Capan03g000240的单倍型分析。“1”为纯合参考基因型，“2”为杂合变异;k, l:不同单倍型(Hap1和Hap2)之间表型差异的显著性分析。“NS”表示P>0.05 , “ *** ” 表明P<0.001。
HMA家族系统发育分析(a);不同物种(拟南芥，辣椒，油菜，甘蓝，甘蓝型油菜，黄瓜，水稻，玉米和番茄)中CaHMA1和CaHMA2蛋白的系统发育分析(b);CaHMA1基因结构图(c);CaHMA1蛋白结构预测分析(d)。
Cd胁迫下X15和X55品种CaHMA家族基因的表达量分析(a:根;b:茎;c:叶;d:水果)。采用t检验分析显著性差异(“*” P <0.05，“**” P< 0.01)。
CaHMA1在酵母中的Cd积累功能验证。不同酵母菌株在0和80 μM Cd胁迫(a、b、c)下的生长状况;不同酵母菌株在0和40 μM Cd胁迫下的Cd含量(d);CaHMA1的Cd结合位点分析(e);以未转化PYES2.0载体的Δycf1菌株和BY4741菌株分别作为阴性对照(PYES2.0/Δycf1)和阳性对照(PYES2.0/BY4741)。将CaHMA1全序列连接酵母表达载体PYES2.0转化的突变体菌株Δycf1作为CaHMA1-PYES2.0/Δycf1，将CaHMA1 C端757-810aa缺失序列与酵母表达载体PYES2.0连接转化Δycf1作为CaHMA1- J -PYES2.0/Δycf1。将CaHMA1重金属结合侧链757-765aa缺失序列与酵母表达载体PYES2.0连接转化Δycf1作为CaHMA1-Q-PYES2.0/Δycf1。以CaHMA1蛋白重金属结合侧链(HEGGILLVC)中由碱性氨基酸组氨酸(H)突变的丙氨酸(A)序列与酵母表达载体PYES2.0连接转化Δycf1作为CaHMA1-H-PYES2.0/Δycf1。以CAHMA1蛋白重金属结合侧链(HEGGILLVC)中谷氨酸(E)突变的丙氨酸(A)与酵母表达载体PYES2.0连接转化Δycf1作为CAHMA1-E-PYES2.0/Δycf1。采用t检验分析显著性差异(“*” P <0.05，“**” P< 0.01)。
拟南芥和辣椒中CaHMA1对Cd的积累功能研究。CaHMA1在拟南芥中的亚细胞定位(a);拟南芥CaHMA1的相对表达量(b);拟南芥不同组织中的Cd含量(c、d、e);辣椒果实CaHMA1相对表达量(f); pTRV2-CaHMA1处理后辣椒果实Cd含量(g)。OE-1, OE-2和Col-0分别代表转基因株系(OE-1, OE-2)和野生型(Col-0)。采用t检验分析显著性差异(“*” P <0.05，“**” P< 0.01)。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132480
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