【摘要】：镉(Cd)是一种能够对植物产生严重损伤的重金属,植物可通过一系列的响应机制应对Cd胁迫产生的毒害作用,目前关于植物响应Cd胁迫的生理生化机制的研究较为普遍,而胁迫响应的分子机制还不清楚。本研究利用RNA-Seq技术,以绿豆为研究材料,以土壤污染最为普遍、最为严重且毒性最强的重金属Cd为研究对象,研究植物根、茎、叶响应重金属的分子机制。主要结果如下:1.对100μM的Cd Cl_2处理下绿豆幼苗的形态指标进行了分析,结果显示,Cd胁迫在5 d、9 d显著抑制了绿豆幼苗植物地上部分和根的生长,株高分别降低了25.3%和27.5%,主根长分别降低了20.7%和23.4%,侧根数分别降低了14.5%和34.9%,地上部分鲜重分别降低了23.2%和42.6%,根鲜重分别降低了10.8%和57.1%,同时引起根部畸变、严重褐化,表明Cd胁迫可显著影响绿豆幼苗的生长发育,导致植株矮小,根系发育受阻。Cd含量测定结果显示,绿豆根中Cd含量为283.17 mg/kg,茎叶中的Cd总含量为18.37 mg/kg,表明绿豆根是积累重金属Cd的主要场所。2.对Cd胁迫处理1 d、5 d、9 d的根、茎、叶通过转录组分析。

从根中共鉴定到13055个差异表达基因(DEGs),GO富集分析表明,上调的DEGs主要富集在细胞识别、解毒、次生代谢过程、谷胱甘肽代谢过程、胁迫响应、毒素分解过程等GO功能中,下调的DEGs主要富集在细胞壁组织合成、微管过程、膜锚定构件、质膜锚定成分、膜固有成分等GO功能中。从茎鉴定到8189个DEGs,上调的DEGs主要富集在细胞识别、解毒、毒素分解过程、次级代谢过程、类黄酮代谢过程等GO功能中,下调的DEGs主要富集在细胞壁多糖代谢过程、细胞壁组织或生物发生、多糖代谢过程、膜固有成分、膜组成部分等GO功能中。从叶中共鉴定到6705个DEGs,上调的DEGs主要富集在氧化还原过程、内肽酶活性的调节、核酸模板转录的调控等GO功能中,下调的DEGs主要富集在微管运动、叶绿体类囊体膜、光合作用膜等GO功能中。3.对DEGs(TPM≥10,fold change≥2)进行分析,从根中获得7413个DEGs,主要归为转录因子、信号物质、防御系统、细胞分裂、细胞壁、载体蛋白相关基因,表明这些基因在根响应Cd胁迫中发挥重要作用。从茎中获得3838个DEGs,其中大量的载体蛋白编码基因显著上调,表明其参与茎对Cd胁迫的响应;谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化物酶(POD)编码基因是茎响应胁迫的关键基因;次级代谢途径黄酮类生物合成、类苯基丙烷生物合成、莨菪碱、哌啶和吡啶生物碱的生物合成、异喹啉生物碱生物合成途径在茎响应Cd胁迫中也起最重要作用。

从叶中获得2959个DEGs,其中大量蛋白质合成和修饰相关蛋白编码基因显著上调,Cd胁迫导致光反应系统蛋白编码基因和CO_2固定酶编码基因显著下调,并发现乙醛酸循环途径的关键酶异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶的编码基因差异表达倍数高达1024以上,表明Cd胁迫严重影响植物光合作用,乙醛酸循环在绿豆叶对镉胁迫的响应中发挥重要作用。4.以肽基脯氨酰顺反异构酶(peptidyl-prolyl cis-trans isomerase)基因FKBP20-1为内参基因,用q RT-PCR法对水通道蛋白的编码基因TIP、非特异性脂质转运蛋白的编码基因SCP1、质膜阳离子结合蛋白的编码基因PCAP1、富含脯氨酸的细胞壁蛋白的编码基因PRP1、液泡加工酶的编码基因VPE、转录因子的编码基因MYB24、脱落酸受体的编码基因PYL4、生长素响应蛋白的编码基因IAA14共8个已知编码蛋白的基因进一步分析。结果表明,q RT-PCR与转录组数据结果具有显著一致性(R~2>0.87)。TIP和PYL4的表达在根、茎、叶中均显著性下调。MYB24的表达在根、茎、叶中均显著性上调,SCP1的表达在根中差异表达不显著,在茎和叶中均显著性上调。PRP1的表达在根和茎中稳定上调,在叶中先上调后下调。IAA14的表达在根和茎中稳定下调,在叶中先下调后上调。VPE和PCAP1的表达在不同器官中、不同胁迫时期有各自的调控模式。