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.

植物蜡酯合成酶催化长链醇和长链脂肪酸合成蜡酯,对植物蜡质合成及其抗旱、抗致病菌袭击和紫外辐射、抗寒和昆虫侵害等环境胁迫具有非常重要的作用;镉是环境中含量最高的有毒重金属之一,严重威胁植物的生长发育、质量、产量和食用安全.为研究地黄蜡酯合成酶基因镉胁迫表达,该文从地黄全长转录组测序数据中鉴定其成员,并用生物信息学技术与qRT-PCR对其编码蛋白质的理化性质、系统进化和保守结构域及其组织表达与镉胁迫表达进行分析.结果表明:(1)鉴定出两个蜡酯合成酶基因RgOATWSD1 与RgOATWSD2,其编码蛋白质的长度、理论等电点和相对分子量依次为 463 aa与 473 aa、8.86 与 9.34、51.31 kD与 52.49 kD,均为不稳定蛋白.(2)二者均具有acyl_WS_DGAT保守域与DUF1298 超家族,前者占其氨基酸序列的 92.65%～94.50%.(3)二者均定位于内质网中,二级结构以无规卷曲与 α 螺旋为主;RgOATWSD1 为跨膜蛋白,而RgOATWSD2 不是.(4)二者均在地黄根、茎、叶中差异表达.(5)二者表达均受镉胁迫诱导,但其表达变化趋势不同.该研究鉴定了两个镉胁迫应答反应的蜡酯合成酶基因,为地黄RgOATWSD的镉胁迫表达及功能研究奠定了基础.

[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.

目的:克隆黄连重金属ATP酶基因CcHMA3,并对其编码蛋白进行生物信息学以及差异表达分析.方法:根据黄连基因组和转录组数据,利用PCR扩增CcHMA3 的全长cDNA并进行生物信息学分析.利用实时荧光定量PCR法(qRT-PCR)检测CcHMA3 基因在黄连植株中的表达差异.结果:克隆获得CcHMA3 基因,开放阅读框全长为 3 030 bp,编码1 009 个氨基酸;蛋白相对分子量为109.03 kD,理论等电点为6.7;蛋白序列中含有6 个跨膜结构域和 2 个保守结构域,亚细胞定位预测表明CcHMA3 位于质膜上,具有一定亲水性.qRT-PCR结果表明,CcH-MA3 基因在黄连不同组织中的相对表达量由高至低依次为须根、根茎、叶柄、叶片;当镉处理后,CcHMA3 基因在须根中的表达量显著高于其他组织(P<0.05),且对不同镉胁迫处理时间存在明显不同的响应表达.结论:该研究为进一步深入研究CcHMA3 基因在黄连重金属镉代谢过程中的调控机制,进而寻找可能的阻断方式奠定实验基础.

我国矿产资源不合理开发导致的重金属污染较为严重,植物修复是解决土壤重金属污染问题的有效方式,因此亟需开展耐重金属胁迫植物筛选和尾矿堆积区重金属修复的研究.本研究以云南干热河谷地区广泛引种的辣木(Moringa oleifera)为对象,通过盆栽试验模拟不同浓度土壤复合重金属(Cd-Pb-Cu-Zn)胁迫,探讨了辣木叶片光合作用能力、植株生长特性和生物量分配对复合重金属胁迫的响应,揭示了辣木对复合重金属胁迫的适应机制和不同重金属的富集特征.结果表明,复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力、植株生长特性、生物量分配特征均产生了显著影响.复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力的影响整体表现为低促高抑;辣木株高、地径、根长、根粗的生长都受到显著抑制,且随着胁迫的加剧,抑制作用逐渐增强;随着胁迫的加剧,辣木将更多的生物量投入至地下部分.适应重金属胁迫过程中,辣木将更多的重金属储存在地下生物量中.此外,辣木对4种重金属元素的耐受性和富集能力不同,其中对Cu2+和Zn2+的耐受性较好,对Cd2+和Zn2+富集能力较强.综上,辣木对复合重金属胁迫有一定的耐受性,且生物量较大,生长较快,可考虑作为重金属污染较轻区域的辅助修复植物.

[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.