镉(Cd)胁迫严重限制植物生长,因此鉴定与植物镉胁迫耐受性相关的基因尤为重要.课题组前期通过转录组数据筛选获得番茄UDP-糖基转移酶基因(SlUDP)响应植株镉胁迫反应.本研究克隆SlUDP基因编码区全长序列,该基因在叶片和果实中表达量较高,受镉胁迫诱导上调表达.酵母耐镉性分析表明,转入SlUDP基因提高了酵母镉胁迫的耐受性.进一步获得SIUDP过表达拟南芥株系,CdCl2胁迫下(40、60、80μmol/L),与野生型相比,过表达拟南芥株系的子叶失绿程度下降;发芽率、根长和种子存活率提高,而丙二醛含量下降,可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性增加,且金属离子转运蛋白基因ZIP1、IRT1、CSD1和COPT2的表达水平显著高于野生型.结果表明,SlUDP过表达株系通过调节抗氧化酶系统,提高植株清除活性氧能力,降低膜脂过氧化程度,提高金属离子转运等方面提高植株耐镉性.本研究为糖基转移酶基因在植物耐受镉胁迫中的作用研究提供一定的理论依据,并为园艺植物抗性分子育种提供了候选基因.

为了揭示硒(Se)对膜荚黄芪(Astragalus membranaceus)镉(Cd)胁迫的缓解机制,以传统药用植物膜荚黄芪为材料,利用水培技术综合研究了离子拮抗作用、抗氧化酶系统、重金属螯合物以及异黄酮在Se缓解Cd胁迫中的作用.结果表明:10 μmol·L-1 Se显著改善了 50 μmol·L-1 Cd胁迫下膜荚黄芪幼苗生长状况并减轻了植株的活性氧积累水平以及膜脂过氧化水平.Cd处理下Se添加显著降低了膜荚黄芪各部位Cd含量,同时Cd添加也显著降低了各部位Se含量,说明膜荚黄芪在Se与Cd的吸收上具有明显的拮抗作用.抗氧化酶活性测定结果显示,Se添加降低了 Cd胁迫下膜荚黄芪各部位过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性,通过相关性分析发现多种抗氧化酶活性与O2·-含量具有显著正相关关系,暗示抗氧化酶活性的变化更多的是与植物体内活性氧水平相适应的结果.此外,Se添加也降低了 Cd处理下膜荚黄芪各部位非蛋白巯基和金属硫蛋白含量,且两者在各部位的含量与对应Cd含量呈现出良好的正相关,表明重金属螯合物含量是由各部位Cd含量所调节的.与抗氧化酶和金属硫蛋白不同,Se添加显著提高了 Cd胁迫下膜荚黄芪幼苗根系中3种异黄酮成分的含量.进一步对异黄酮合成途径关键酶基因CHS、IFS、I3'H、IOMT和UCGT表达水平进行研究,发现Se明显上调了 Cd处理下所有酶基因的表达水平.综上,Se通过吸收过程中与Cd的拮抗作用降低了 Cd处理下膜荚黄芪幼苗中的Cd含量,降低了植物受胁迫程度,同时通过上调异黄酮等次生代谢物质合成,提高了植物对Cd胁迫的耐性.

本研究旨在探究不同浓度镉(Cd)对川芎苓种萌发和幼苗生长的影响.采用以石英砂为基质的水培试验,施加不同浓度CdCl2-2.5 H2O(0、0.1、0.25、0.5、1、2 mmol/L)溶液处理川芎苓种,研究Cd胁迫对川芎苓种萌发、幼苗生长、生理代谢及Cd含量的影响.结果显示,随着Cd浓度的增加,株高抑制率、根长抑制率上升;根、叶及节盘Cd含量显著升高;株高、根长、叶鲜重、根鲜重下降;抗氧化酶(过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶)活性、非酶系统物质(可溶性蛋白、谷胱甘肽、脯氨酸)含量以及丙二醛含量先升高后降低.研究表明,0.1～2.0 mmol/L Cd对川芎苓种萌发和早期幼苗生长均有明显的毒害作用,随着Cd胁迫浓度的升高毒害作用增强,其中川芎幼苗根对Cd胁迫最敏感.Cd胁迫下川芎幼苗生理生化指标整体上呈现低促高抑的Hormesis效应.川芎幼苗通过提高抗氧化酶活性和非酶系统物质积累,减少膜系统损伤、活性氧蓄积,缓解Cd毒害作用,提高耐受性.

由于工业发展以及生活废弃物污染的不断加剧,作物中的重金属浓度超标,严重威胁人体的健康.铝激活苹果酸转运体编码一类阴离子通道蛋白,在植物有机酸的跨膜转运中发挥重要的作用.为研究GmALMT33基因在大豆应对镉胁迫中的功能,本研究以大豆黑农48的叶片cDNA为模板,利用RT-PCR克隆得到GmALMT33基因.该基因CDS区全长1622 bp,编码553个氨基酸,含有1个ALMT结构域.qRT-PCR结果表明,GmALMT33在大豆根部的表达水平最高;镉胁迫后,该基因表达量呈现先升高后降低的趋势.构建植物表达载体pCPB-GmALMT33并对烟草、大豆毛状根进行遗传转化,转基因植株抗逆表型与生理指标分析表明,镉(66pmol/LCdCl2)胁迫下,转基因烟草叶片黄化、褪绿,边缘褐化程度明显低于野生型烟草.转基因大豆毛状根复合体植株茎秆和叶脉呈现的红褐色毒害症状程度明显弱于转空载体植株.在镉胁迫处理7d后,转基因烟草叶片的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性及可溶性糖含量均高于野生型对照,丙二醛含量均低于对照.在镉胁迫处理0 d、1 d、3 d后,转基因大豆毛状根复合体根和叶的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性、可溶性糖含量均高于转空载体对照,丙二醛含量均低于对照,表明GmALMT33基因提高了植株的耐镉能力.本研究为进一步探讨GmALMT33基因的作用机制提供了依据,并为大豆抗逆育种提供了新的基因.

为了解彩色豆马勃(Pisolithus tinctorius,Pt)和褐环乳牛肝菌(Suillus luteus,Sl)的耐镉(Cd)机制和Cd积累特征,本研究分析了 Pt和Sl在3个Cd2+浓度(0.1、1.0和10.0 mg·L-1)下细胞形态、胞外分泌物和抗氧化物质等的生理生态变化.结果表明:Sl细胞发生质壁分离且细胞壁明显增厚,而Pt细胞变形严重且内含物大量流出;Pt和Sl均可分泌异羟肟酸型铁载体;不同有机酸的分泌量因菌株不同而表现出多样性,其中琥珀酸是Pt和Sl主要分泌的有机酸;此外,Pt和Sl抗氧化酶活性及非酶抗氧化物质含量的变化也因菌株不同而异;随Cd2+浓度的增加,Pt和Sl抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性和抗坏血酸(AsA)含量均有明显的增加趋势;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性及还原型谷胱甘肽(GSH)含量变化不同,其中Pt GSH含量与GR活性呈现相反的变化趋势,低浓度Cd胁迫使Pt和Sl的SOD活性显著增强,Pt的CAT活性先降低后升高.综上所述,Pt和Sl对Cd2+胁迫在生理生态上有不同的应激模式,随Cd胁迫的增强,Pt和Sl均可通过增强SOD、CAT、APX活性、增加AsA含量、分泌有机酸和铁载体抵御Cd胁迫;此外,细胞壁增厚、GSH螯合作用也是Sl的重要抗Cd机制.

[目的]MYB家族成员在植物生长发育、生物胁迫和非生物胁迫等方面发挥重要调控作用,然而,小麦MYB转录因子在重金属镉(Cd)胁迫中的生物学功能研究较少.挖掘小麦Cd胁迫应答相关基因,阐明其在Cd胁迫中的生物学功能,为耐/低Cd小麦品种的选育奠定基础.[方法]构建Cd胁迫小麦根系酵母cDNA文库,筛选获得Cd胁迫应答基因,利用荧光定量PCR技术检测Cd胁迫条件下小麦不同组织中Cd胁迫应答基因的相对表达量;利用病毒诱导的基因沉默对该基因进行功能验证,检测对照和沉默植株的Cd含量、叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活力等生理生化指标.此外,对Cd胁迫应答基因及其在小麦和其他物种中的同源基因进行生物信息学分析(系统进化关系、序列特征和表达谱).[结果]Cd胁迫主要抑制小麦根系发育,在添加 0.002 mol/L Cd的酵母培养基上筛选Cd胁迫小麦根系酵母cDNA文库获得 18 个耐Cd转化子,其中 5 个转化子编码TaMYB1 蛋白,转化TaMYB1酵母菌株在高Cd培养基中生长良好,而对照则明显受到抑制.RT-qPCR结果表明,TaMYB1在小麦幼苗中响应Cd胁迫.与对照相比,TaMYB1沉默植株中TaMYB1表达量明显下降,且根系和叶片Cd含量显著低于对照植株,叶绿素含量、SOD、POD活性高于对照植株,MDA含量则低于对照植株.同时,生物信息学分析发现,TaMYB1 属于 1R-MYB家族成员,具有高度保守的MYB和CC结构域,其包含 7 个外显子和 6 个内含子,在拔节期中期的花序和成熟期的花序表达最高,在灌浆前期种子和灌浆中后期种子中表达量最低.[结论]TaMYB1 在小麦响应Cd胁迫应答中发挥重要作用.

该研究选用3种高丹草、2种苏丹草、2种杂交狼尾草、一年生黑麦草和多年生黑麦草共9个牧草品系,采用盆栽试验,设置0(CK)、10(Cd10)、20 mg/kg(Cd20)镉胁迫处理,考察不同品系的生长指标、镉含量和富集指标,运用极差化法和主成分分析建立综合评价模型,通过计算各牧草在模型中的综合得分,筛选出最适宜实地修复的牧草,探究不同品种和不同品系牧草的镉修复能力差异,建立Cd污染土壤植物修复能力评价体系,发掘兼顾富集量和后处理的镉污染土壤植物修复资源.结果表明:(1)镉胁迫会不同程度降低牧草的株高和生物量,其中江苏苏丹草在Cdl0和Cd20中的耐胁迫能力均较强;(2)在Cd10和Cd20处理下,一年生和多年生黑麦草均具有较高的地上部和地下部Cd含量,高丹草的3个品系在Cd含量和Cd积累量两方面存在较大差异;(3)在Cd10和Cd20处理下,高丹草和黑麦草的富集指标表现优异,且富集指标在高丹草品系间存在较大差异;(4)2个镉质量分数处理下综合评价得分最高的均是一年生黑麦草,其次为高丹草.研究表明,参试牧草对镉胁迫均有较强的耐受性,但耐受能力和富集能力在品系间存在明显差异,并以高丹草品系间差异最大;一年生黑麦草能耐受20 mg/kg以下镉胁迫,且生物量较小,对镉有较强的浓缩效应,可作为镉污染土壤实地修复的可靠材料;综合评价模型可作为镉污染修复植物资源筛选的可靠方法.

为探究中国沙棘对土壤镉(Cd)胁迫的性别响应差异,该研究以中国沙棘2年生幼苗为材料,利用盆栽试验研究在不同浓度Cd处理下(0(CK)、25、50、100和200 mg·kg-11)雌、雄株幼苗的生长、叶片生理特性以及Cd富集特征的差异.结果表明:(1)Cd处理下中国沙棘幼苗雌、雄株的株高和基径生长以及各器官生物量均表现出低浓度(＜50 mg·kg-1)促进,高浓度(＞100 mg·kg-1)抑制的现象;低浓度Cd处理下雌株的株高、基径增长率和生物量的增幅均高于雄株;高浓度Cd处理下(200 mg·kg-1)雄株株高增长率、叶生物量和总生物量分别较CK显著降低,而雌株均未显著下降.(2)随着Cd浓度升高,雌、雄株叶片光合色素含量和抗氧化酶活性呈先升后降的变化趋势,丙二醛(MDA)和渗透调节物质含量呈上升趋势;Cd浓度为50～200 mg·kg-1 时,雌株叶片的光合色素含量、抗氧化酶活性和渗透调节物质含量均高于雄株,而MDA含量始终低于雄株.(3)随着Cd浓度升高,雌、雄株各器官Cd含量均逐渐上升且表现为根＞茎＞叶,雌株各器官Cd含量均高于雄株;雌、雄株地上和地下部分富集系数呈先增后减的变化趋势且均大于1,转移系数逐渐降低且均小于1;雌株地上和地下部分Cd富集系数以及转移系数均高于雄株,且地上部分Cd富集系数在Cd浓度为25～100 mg·kg-11 时显著高于雄株.研究发现,中国沙棘幼苗在土壤Cd浓度小于50 mg·kg-1时表现出一定的Cd耐受性,当土壤Cd浓度大于100 mg·kg-1时其Cd耐受性减弱,雌株对土壤Cd的生长适应性、生理耐性和富集转运能力较雄株强.

通过野外调查和温室营养液砂培试验,发现并鉴定出钻叶紫菀(Aster subulatus Michx.)是一种新的镉(Cd)超积累植物.调查结果发现,钻叶紫苑对土壤中高含量的Cd有很强的忍耐、吸收和积累能力,其地上部茎、叶Cd含量分别为90.0-150.7mg/kg和119.8-172.6mg/kg,平均值分别为132.8mg/kg和139.2mg/kg.砂基营养液培养试验证明,钻叶紫苑对生长介质中的Cd有很强的忍耐能力,当生长介质中Cd浓度高达150mg/L时,植株仍生长正常,其株高与对照相比无显著差异;地上部Cd含量及其积累量均随生长介质中Cd浓度的增加而增加,当生长介质中Cd浓度为120mg/L时,地上部茎Cd含量和积累量达到最高值,分别为5672.50mg/kg、4.93mg/株.结果表明,钻叶紫苑是一种新的Cd超积累植物,为今后探明植物超积累Cd的机理和Cd污染土壤的植物修复提供一种新的种质资源.

镉是对生物毒性最强的污染物之一.过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用,干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫.硅作为一种有益元素,主要以Si(OH)4的形态通过主动或被动方式被植物体吸收并转运到地上部分.硅对植物镉毒害具有缓解作用,但其缓解机制在不同物种、品种或生态型之间存在显著差异,并表现出一定的硅/镉浓度依赖性.总体上可概括为避性机制和耐性机制.避性机制包括:(1)在器官水平,减少植物根系对镉的吸收及其向地上部的转运;(2)在细胞水平,增强细胞壁对镉的吸附能力,减少共质体中镉的含量.耐性机制包括:(1)诱导细胞产生小分子螯合剂,增强对镉的螯合作用,减少细胞中游离态镉的含量;(2)增强抗氧化机制,减轻氧化胁迫;(3)改善光合作用和无机营养,促进植物生长.从植物对硅的吸收和转运、镉对植物的毒害作用以及硅对缓解植物镉毒害的生理生态机制3个方面进行了综述,并基于目前的研究现状和薄弱之处,对今后的研究重点进行了展望.