再次發(fā)表Journal of Hazardous Materials-周培教授課題組在超富集植物龍葵響應(yīng)鎘脅迫方面取得重大突破
近日，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院周培教授團(tuán)隊(duì)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際著名期刊Journal of Hazardous Materials（中科院一區(qū)?Top）在線發(fā)表了題為Comparative cytology combined with transcriptomic and metabolomic analyses of Solanum nigrum L. in response to Cd toxicity的研究論文。研究利用植物細(xì)胞學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)方法分析超富集植物龍葵對(duì)短期不同濃度鎘（Cd）脅迫的響應(yīng)變化，探討了龍葵對(duì)Cd脅迫的應(yīng)對(duì)機(jī)制。該研究結(jié)果為Cd脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供新視野，從而為生態(tài)環(huán)境中重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用提供了重要借鑒。
土壤Cd污染是一個(gè)嚴(yán)重的全球性生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，中國(guó)、日本、歐美等國(guó)家的耕地都存在不同程度的Cd污染現(xiàn)象。土壤Cd污染植物修復(fù)技術(shù)因具有環(huán)境友好、成本低廉、操作簡(jiǎn)便、視覺(jué)美觀等優(yōu)點(diǎn)被公眾所關(guān)注，而超富集植物龍葵常被用于Cd污染土壤修復(fù)。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化酶活、細(xì)胞壁多糖組分、Cd的亞細(xì)胞分布及賦存化學(xué)形態(tài)來(lái)抵御Cd毒害（https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.109997; https://doi.org/10.1007/s11356-020-11505-5）。然而，龍葵對(duì)Cd的高耐受性及解毒分子機(jī)制尚不清晰。因此，需要結(jié)合多組學(xué)技術(shù)研究龍葵對(duì)Cd脅迫的應(yīng)答機(jī)制。
該論文研究采用水培試驗(yàn)對(duì)龍葵進(jìn)行不同濃度Cd脅迫處理，重點(diǎn)研究了Cd脅迫下，龍葵各器官（根、莖、葉）細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化，并對(duì)根組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)與代謝組學(xué)聯(lián)合分析。通過(guò)透射電鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫嚴(yán)重破壞了龍葵各器官細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，且受損程度與Cd脅迫濃度呈濃度-劑量效應(yīng)。此外，龍葵各器官細(xì)胞采取增厚細(xì)胞壁、將胞內(nèi)Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡等方式進(jìn)行解毒。
圖1.?Cd脅迫下龍葵根尖細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化
注：A, B 對(duì)照組; C, D 25 μM Cd處理組; E, F 50 μM Cd 處理組; G, H 75 μM Cd 處理組; I, J 100 μM Cd 處理組.
縮寫(xiě)詞: CW 細(xì)胞壁; PM 質(zhì)膜; V 液泡; M 線粒體; NM 核膜; N 細(xì)胞核; Nue 核仁; Lb 脂質(zhì)體;?L 白色體.
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隨后，對(duì)龍葵根系進(jìn)行代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。代謝組學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵根系有7條代謝通路被顯著干擾，涉及19個(gè)差異表達(dá)代謝物（DEMs）。而轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析結(jié)果鑒定出3908個(gè)共同差異表達(dá)基因（DEGs），其中上調(diào)DEGs?1049個(gè)，下調(diào)DEGs?2859個(gè)。除此之外，該研究利用組學(xué)聯(lián)合分析還發(fā)現(xiàn)了Cd脅迫下參與根組織細(xì)胞壁生物合成的DEMs和DEGs，初步揭示了細(xì)胞壁在龍葵根系解毒Cd過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。
圖2. Cd脅迫下龍葵根系共同差異代謝物涉及的代謝通路富集分析（a）；Cd脅迫下龍葵根系差異代謝物（氨基酸、碳水化合物和核苷酸類）相對(duì)含量變化箱式圖（b）
圖3. 細(xì)胞壁組分木質(zhì)素合成途徑簡(jiǎn)圖，藍(lán)色代表共同上調(diào)和下調(diào)的差異表達(dá)基因，綠色代表共同下調(diào)的差異表達(dá)基因（a）；
參與木質(zhì)素合成的差異表達(dá)基因的相對(duì)表達(dá)量，紅色代表上調(diào)基因，綠色代表下調(diào)基因（b）；參與細(xì)胞壁其他組分合成的差異表達(dá)基因的相對(duì)表達(dá)量，紅色代表上調(diào)基因，綠色代表下調(diào)基因（c）
圖4.?Cd脅迫下參與細(xì)胞壁合成的差異表達(dá)代謝物相對(duì)含量變化箱式圖
上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生態(tài)學(xué)博士生王軍才為論文第一作者,?周培教授為通訊作者,?博士后初少華、張丹副研究員等參與了該研究。課題組多年來(lái)一直從事農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防治與修復(fù)方面的研究,并在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Bioresource Technology、Science of The Total Environment等國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表多篇論文。相關(guān)研究得到國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127168?
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