科研 |CHEMOSPHERE：不同耐性红麻品种对Cd胁迫的响应机制（国人佳作）
编译：寒江雪，编辑：景行、江舜尧。
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土壤镉(Cd)的污染是一个非常严重的环境问题。红麻是一种耐重金属的工业纤维作物，它在土壤植物修复方面有潜在的应用前景。但是关于红麻的Cd耐受性的分子机制仍不清楚。本研究以两个Cd不同敏感品种(GH和YJ)为材料，研究影响红麻对Cd耐性差异的关键因素。GH比YJ的Cd转移和积累能力更强，通过对丙二醛(MDA)含量和抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性的生理指标测定，表明GH的解毒能力强于YJ。在Cd胁迫下，GH的细胞超微结构比YJ的细胞超微结构更稳定。转录组分析显示有2221个基因(上调689个，下调1532个)和3321个GH生长激素中表达上调，表明植株通过激活这些基因表达以应对镉胁迫。DEG还涉及抗氧化、重金属转运或解毒、物质转运、植物激素和钙信号、超微结构成分以及很多个转录因子在红麻Cd耐性中的重要作用，并解释了Cd胁迫敏感性的差异。
论文ID
原名：Comparative transcriptomic analysis reveals key genes and pathways in two different cadmium tolerance kenaf (Hibiscus cannabinus L.) cultivars
译名：比较转录组分析揭示了两种不同镉耐受性红麻的响应关键基因和途径
期刊：Chemosphere
IF：5.778
发表时间：2020年9月
通讯作者：陈鹏
通讯作者单位：广西大学农学院
DOI号：10.1016/j.chemosphere.2020.128211
实验设计
结果
为了研究这两个红麻品种对Cd胁迫的生长变化，在Cd处理7d后，分别测定两个红麻品种的株高和生物量(总鲜重)。在正常生长情况下，两个品种的株高、株重(生物量)均无显著差异。而在10mgL-1Cd胁迫下，两个品种的株高和生物量均受到显著抑制，GH的株高和生物量均显著高于YJ。GH的株高抑制率为15.4%，生物量抑制率为34.4%，YJ的抑制率为21.9%，生物量抑制率为47.8%。这说明YJ对Cd胁迫的抑制比GH更严重，即GH比YJ对Cd胁迫的抗性更强（图1）。
图1.两个品种红麻幼苗在对照和10mgL-1CdCl2处理下的植株生长情况。A对照和Cd胁迫条件下GH和YJ的株高。B GH和YJ的株高抑制率。C对照和Cd胁迫条件下GH和YJ的株重。D GH和YJ对植株重量的抑制率。
2 GH对Cd的吸收和转运能力强于YJ
研究分析了Cd胁迫下根部和地上部的积累规律。红麻对Cd有较高的吸收积累能力，是一种潜在的高Cd积累作物。根部Cd含量显著高于地上部，Cd转运率(TF)说明GH的Cd转运能力显著高于YJ。GH和YJ的Cd转运率分别达到0.169和0.139，说明红麻对Cd的吸收和转运达到中等效率（图2B）。综上所述，GH比YJ具有更强的Cd吸收和转运能力，对Cd胁迫的耐受性更强（图2）。
图2.两个品种在对照和10mgL−1CdCl2处理下对Cd的吸收和转运能力。A GH和YJ在根和地上部Cd含量。B GH和YJ的Cd转移率。
3 Cd胁迫对GH的超微结构损伤小于YJ
Cd在植物细胞中的积累会破坏细胞的超微结构，进而抑制植物的生长发育。因此，利用电镜技术研究镉对细胞超微结构的损伤具有重要意义。两个品种的根分生组织细胞在Cd处理下的透射电镜图片与各自的对照相比均有明显的超微结构变化（图3）。对照组两个品种没有明显差异，处理后，YJ与GH相比，细胞形态不规则，细胞极度空泡化，线粒体肿胀变形，嵴较少。说明在Cd胁迫下，YJ的细胞超微结构损伤比GH严重。
图3.两个品种根系透射电镜超微结构的比较。A GH对照根分生组织细胞的超微结构。B GH在Cd胁迫根分生组织细胞的超微结构。C YJ对照根分生组织细胞的超微结构。D YJ在Cd胁迫根分生组织细胞的超微结构。
4 抗氧化酶活性
丙二醛(MDA)含量可反映活性氧对细胞膜的损伤程度。两个品种对照组MDA含量没有显著差异。Cd胁迫使两品种的MDA含量均显著增加，YJ组MDA含量明显高于GH组。在Cd胁迫条件下，YJ的MDA含量是GH的1.25倍，说明Cd对前者造成的膜伤害更严重（图4A）。
通过抗氧化酶活性分析进一步研究Cd诱导的氧化应激。GH和YJ的SOD、POD和CAT等关键酶对Cd胁迫的响应不同。两品种幼苗在Cd胁迫下SOD活性均升高，GH比YJ增加的更快，且显著高于YJ。Cd胁迫下，GH和YJ的POD活性显著升高。Cd胁迫下GH的POD活性相当于YJ的2.1倍。与对照相比，Cd胁迫下叶片CAT活性显著升高，GH和YJ的CAT活性分别为相应对照的500%和478%。与SOD和POD所表现的趋势相反，GH的CAT活性低于YJ。这些结果表明，SOD和POD可能是GH品种抗氧化的关键因素，而CAT是YJ品种Cd胁迫的主要抗氧化酶。综上所述，GH表现出比YJ更高的抗氧化酶活性，从而有助于提高其对Cd的耐性。
图4.Cd胁迫对红麻幼苗叶片MDA含量及SOD、POD、CAT活性的影响。
5 转录组测序分析
以Cd胁迫叶片和对照叶片为材料进行转录组分析，揭示叶片对Cd胁迫的基因表达谱。YJ中Cd胁迫样品中共有2221个DEG，其中有689个上调基因和1532个下调基因。GH中有3321个DEG，其中2451个上调基因和870个下调基因。两个品种中有525个共有DEG（图5）。GH中的DEG大部分都是上调基因，而YJ中大部分为下调基因。说明GH倾向于激活基因表达来应对Cd胁迫。
为了阐明DEG的潜在生物学功能，研究人员进行了GO富集分析。在生物过程(BP)类中，两个品种的DEG主要富集在代谢过程、细胞过程和单个生物过程；细胞组件(CC)类的主要富集在膜、膜部件和细胞过程；分子功能(MF)类的催化活性、结合活性和转运蛋白活性功能。还发现解毒、抗氧化活性、信号转导活性等可能在非生物胁迫中起关键作用的GO通路在两个品种中的排序也不同。比如抗氧化活性在GH中排名第五，在YJ中排名第七，GH比YJ中有更多的DEG参与了这一过程。这可能暗示参与抗氧化活性的DEG在GH中作用比YJ更重要。信号转导活性、发育过程和超分子复合体通路在YJ中显著富集，而在GH中没有显著富集，而在生殖过程则是完全相反的情况（表6）。
对所有DEG进行KEGG代谢通路注释分析。在GH中显著富集到26个途径，YJ中有25个途径显著富集。其中GH最显著富集的5个途径分别是植物-病原菌相互作用、植物激素信号转导、MAPK信号转导途径-植物、ABC转运蛋白和苯丙烷类化合物生物合成；YJ最显著富集的5个途径是植物激素信号转导、苯丙烷生物合成、植物-病原菌相互作用、MAPK信号转导途径-植物、淀粉和蔗糖代谢途径。糖酵解/糖异生、光合生物固碳、柠檬酸循环(TCA循环)等途径仅在GH中富集，而光合作用、淀粉和蔗糖代谢、氮代谢等途径在YJ中富集（图7），表明两个红麻品种对Cd胁迫的响应机制不同。
图5.两个红麻品种在镉胁迫下的差异表达基因。
图6.两个红麻品种差异表达基因的GO富集分析。
图7.两个红麻品种差异表达基因的KEGG富集分析。
6 qRT-PCR分析验证DEG的结果
为了验证转录组测序的可靠性，研究人员选择了涉及不同Cd反应途径的10个关键基因，并进行了qRT-PCR。这些基因主要与防御、底物转运、解毒和转录因子有关。这些基因的表达模式与测序结果一致，说明转录组DEG分析是准确可靠的（图8）。
图8.利用qRT-PCR验证DEG的表达。
结论
红麻在Cd污染土壤植物修复中具有很大潜力，但红麻耐Cd的分子基础尚不清楚。本研究对两个不同红麻品种(GH代表耐镉，YJ代表Cd敏感)的Cd耐性差异的关键因素进行了研究。与YJ相比，GH具有更强的转运和积累能力、更强的解毒能力和更稳定的超微结构。Cd诱导的DEG参与的途径，包括活性氧清除、重金属转运或解毒、物质转运、植物激素和钙信号、超微结构成分和转录因子等途径在红麻对Cd的耐性中起着关键作用，并解释了Cd胁迫两个品种敏感性的差异。本研究为阐明红麻Cd耐性的分子机制提供了新的思路。
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