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.

大米镉超标问题严重威胁人体健康.水稻镉吸收转运基因OsNramp5的功能缺失可有效降低镉在稻米中的积累.为了快速创制镉低积累的水稻新种质,本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除三系杂交稻优质抗病恢复系川恢491(R491)中的镉吸收转运基因OsNramp5,获得了多种不同突变方式的编辑植株,并筛选出单靶点突变无转基因成份的两种纯合突变株系(KO1和KO2).在镉污染土壤中种植并测定野生型和敲除植株糙米的镉含量,结果显示,相比于野生型R491,敲除株系KO1和KO2糙米中的镉含量显著下降,均降低约90％左右.农艺性状调查结果发现,相比野生型R491,KO1突变株系的农艺性状没有显著差异,但KO2突变株系的株高、结实率和千粒重显著降低.因此,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除镉吸收转运基因OsNramp5可快速创制镉低积累的水稻新种质,本研究创制的新种质为加速培育可在镉污染区种植的安全水稻品种提供了新的遗传资源.

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.

[目的]农田土壤镉污染严重威胁农产品质量安全,探讨化肥减量同时配施不同有机肥条件下小麦和燕麦各器官镉积累、分配及转运特征,对于指导作物合理施肥、保证农产品安全具有重要意义.[方法]在化肥施用减量20％基础上,设厩肥30 000 kg/hm2(AM)、生物有机肥600 kg/hm2(BF)、厩肥30 000 kg/hm2+生物有机肥600 kg/hm2(AM+BF)及化肥正常施用量(CK)4个施肥处理,研究不同有机肥处理对小麦和燕麦镉积累、分配、转运特征的影响.[结果](1)与CK相比,不同有机肥配施处理可使小麦和燕麦生物量增加6.78％～11.00％;同时可使各器官镉含量总体降低,其中籽粒镉含量降低11.76％～47.06％.(2)各有机肥配施处理使各器官镉富集系数总体降低,籽粒富集系数降低0～38.46％;BF、AM+BF处理根、茎、叶、穗镉向籽粒的转运系数分别降低16.67％～42.86％、15.79％～42.03％、0～56.10％、6.82％～22.06％.(3)燕麦灌浆期后茎秆镉含量下降伴随着籽粒镉含量上升;燕麦抽穗期后各器官镉向籽粒的转移量、转移率、贡献率均以茎秆为最高.[结论]化肥减量配施有机肥可降低作物籽粒镉含量、富集系数和转运系数,且对燕麦籽粒降镉效果优于小麦;燕麦抽穗期后茎秆转运的镉是籽粒镉积累的主要来源.

为筛选出高产且适用于粮食安全生产的镉低积累水稻品种,本研究以18个早、中、晚熟稻品种为供试材料,比较了不同品种水稻在中轻度镉污染农田的生长情况以及对镉吸收、积累差异,并通过综合定量评价方法进行评估.结果表明:根据综合定量筛选评价方法将糙米镉浓度、稻谷产量、转运系数和秸秆积累量作为评价指标并赋予不同权重,通过计算综合得分筛选出的高产且镉低积累水稻品种有JR-9(沪香粳106)、JR-2(沪早香软1号)、JR-7(8333)、JR-15(宝农34)和JR-8(南梗9108);品种JR-8水稻产量最高,品种JR-9、JR-7和JR-15水稻产量均显著高于其他品种;不同水稻品种的稻米镉含量差异较大,JR-9、JR-15、JR-7稻米镉含量显著低于其他水稻品种;品种JR-2转运系数最低,更多的镉保留在秸秆中,表现出最高的秸秆积累量,最终成为候选品种.本研究采用的综合定量评价方法可对高产、低Cd的水稻品种进行科学评价,并初步筛选了 5个适用于中轻度Cd污染农田推广的Cd低积累水稻品种,其稻米Cd含量达到国家粮食安全限量标准.

[目的]Heavy metal ATPase(HMA)基因家族广泛参与植物对金属元素的吸收和转运,系统鉴定番茄HMA基因家族成员及其特征,并研究其在应对镉胁迫过程中的功能,为解析番茄重金属转运机制及番茄低镉积累种质创新提供理论依据.[方法]通过生物信息学鉴定番茄HMA基因家族成员,并分析其系统进化树、蛋白理化性质、基因结构、顺式作用元件、基因表达模式等,通过酵母功能互补试验研究SlHMA1 的镉转运活性.[结果]番茄基因组中存在 8 个SlHMAs,分属 2 个亚组.在基因结构方面,各SlHMAs间及与拟南芥和水稻的同源基因之间都存在显著差异.SlHMAs成员启动子区域含有较多逆境响应相关的顺式作用元件,RT-qPCR结果也揭示大多数SlHMAs表达对镉胁迫有不同程度的组织特异性响应.酵母功能互补试验表明SlHMA1 蛋白具有镉转运活性,进化分析表明HMA1广泛存在于植物界,且其ATP水解酶活性相关的氨基酸保守基序DKTGT也在植物界高度保守.[结论]番茄SlHMAs具有HMA家族基因的典型特征,同时也存在功能多样性.SlHMAs及其氨基酸保守基序DKTGT与金属离子转运及镉胁迫响应密切相关,在低镉作物育种方面具有重要应用潜力.

土壤镉(Cd2+)污染严重制约设施蔬菜的产量和品质.褪黑素(MT)可以增强植株对多种逆境的抗性,然而Cd2+胁迫下MT调控番茄(Solanum lycopersicum)种子萌发的下游信号尚不清楚.该研究以番茄野生型Alisa Craig种子为材料,探究不同浓度Cd2+处理及外源MT对番茄种子萌发的调控效应.结果表明,0.5 mmol·L-1以上的Cd2+处理显著抑制番茄种子的萌发和幼苗生长.用0.15 mmol·L-1 MT浸种可降低种子萌发后地下部和地上部的Cd2+含量,有效缓解Cd2+胁迫对番茄种子萌发和幼苗生长的抑制作用.MT上调了番茄胚根中植物螯合肽和转运蛋白基因(PCS、NRAMP1、ABCC3、HMA3与ABCG5)的表达,促进Cd2+的跨膜转运以及液泡隔离.此外,MT减轻了Cd2+诱导的氧化损伤,除褪黑素自身的抗氧化作用外,也与抗氧化酶(CAT、APX与ALDH)活性的增强相关.进一步分析表明,MT显著下调了Cd2+胁迫下脱落酸(ABA)合成基因(NCED1和NCED2)的表达,并上调了ABA分解基因ABA8ox1的表达,降低ABA含量,从而有效调节赤霉素/脱落酸(GA/ABA)的比值,促进Cd2+胁迫下番茄种子的萌发.

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.

为探讨铁(Fe)、镉(Cd)胁迫对宁夏枸杞LbFRO(ferric reduction oxidase)、LbZIP(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein)和LbNRAMP(natural resistance-associated macrophage protein)基因的表达模式的影响,为防治宁夏枸杞黄叶病、培育高效Fe利用枸杞品种和低镉累积品种提供理论基础及技术支持.以宁夏枸杞 1 号组培幼苗为试验材料,利用转录组测序技术分析筛选宁夏枸杞中与Fe和Cd吸收转运相关的基因;利用实时荧光定量PCR技术验证目的基因在Fe、Cd胁迫下的表达变化情况;利用常规PCR方法克隆获得全长序列并进行生物信息学分析;构建酵母表达载体转化Fe/Cd敏感型酵母菌株ΔCCC1/YK44 进行转基因酵母功能验证.结果显示,LbIRT2、LbFRO以及LbNRAMP3 受Fe和Cd胁迫后显著上调表达;系统进化树分析表明宁夏枸杞Fe、Cd响应基因与水稻和拟南芥亲缘关系较近;转基因酵母功能进一步验证了LbFRO、LbIRT2 以及LbNRAMP3能增强酵母对Fe和Cd的敏感性.LbFRO、LbIRT2以及LbNRAMP3可能参与了枸杞对Fe和Cd的吸收和转运.

目的 探究乙酸铅、氯化镉单独或联合染毒对小鼠睾丸支持细胞(15P-1细胞)乳酸(LD)水平的影响.方法 将15P-1细胞分设对照(空白培养基)组和乙酸铅(0.05～160 μmol/L)单独染毒组、氯化镉(0.05～160μmol/L)单独染毒组,染毒24 h后,测定细胞存活率.后续实验分别设对照(空白培养基)组和乙酸铅(1～60μmol/L)单独染毒组、氯化镉(0.5～30μmol/L)单独染毒组及乙酸铅(1、10、20μmol/L)+氯化镉(0.5、5、10 μmol/L)联合染毒组,染毒24 h后,测定细胞内葡萄糖摄取量、乳酸脱氢酶(LDH)活力以及细胞内、外LD浓度和pH值.结果 与对照组比较,2.5～160μmol/L乙酸铅和2.5～160 μmol/L氯化镉分别单独染毒组15P-1细胞存活率均降低(P＜0.05).与对照组比较,0.5～10 μmol/L氯化镉染毒15P-1细胞内的葡萄糖摄取量较高(P＜0.05).与相同浓度乙酸铅+氯化镉染毒组比较,仅0.5 μmol/L氯化镉单独染毒组细胞内葡萄糖摄取增加(P＜0.05).与对照组比较,1、10 μmol/L乙酸铅染毒、各浓度氯化镉染毒及10 μmol/L乙酸铅+5 μmol/L氯化镉染毒组15P-1细胞内的LD浓度较高,而20～60 μmol/L乙酸铅染毒及20 μmol/L乙酸铅+10 μmol/L氯化镉染毒组15P-1细胞内的LD浓度较低(P＜0.05);与对照组比较,1～30 μmol/L乙酸铅染毒及15、30 μmol/L氯化镉染毒15P-1细胞外的LD浓度均较低,而0.5、5μmol/L氯化镉染毒及1μmol/L乙酸铅+0.5 μmol/L氯化镉染毒组15P-1细胞外的LD浓度较高(P＜0.05).与对照组比较,10～60 μmol/L乙酸铅染毒及5～15 μmol/L氯化镉染毒15P-1细胞内的pH值较低(P＜0.05).与对照组比较,20～60 μmol/L乙酸铅染毒及各浓度氯化镉染毒15P-1细胞外的pH值较高(P＜0.05).与对照组比较,各浓度乙酸铅+氯化镉染毒组15P-1细胞内、外的pH值均较高(P＜0.05).与相同浓度乙酸铅+氯化镉染毒组比较,1、10、20 μmol/L乙酸铅单独染毒组及0.5、5、10 μmol/L氯化镉染毒组细胞内pH值较高,而1、10、20 μmol/L乙酸铅单独染毒组及0.5、10 μmol/L氯化镉单独染毒组细胞外pH值较高(P＜0.05).与对照组比较,各浓度乙酸铅染毒15P-1细胞内的LDH活力较低,而各浓度氯化镉染毒15P-1细胞内的LDH活力较高(P＜0.05).与对照组比较,各浓度乙酸铅+氯化镉染毒组15P-1细胞内LDH活力均较高(P＜0.05).与相同浓度乙酸铅+氯化镉染毒组比较,1、10、20 μmol/L乙酸铅单独染毒组及5、10 μmol/L氯化镉单独染毒组细胞内的LDH活力较高(P＜0.05).结论 乙酸铅对生精系统的损伤可能通过降低细胞内LDH活力进而抑制细胞内乳酸生成来实现,而氯化镉则可能通过抑制细胞内LD转运到细胞外供给精子发生需要的能量来实现.