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李银心课题组在甜高粱吸收重金属镉的分子机理方面取得进展

图注:影响甜高粱吸收镉关键因子(A) 两个甜高粱品系H18(高积累L69(低积累)在水培条件10 µM 镉处理两周后地上部分和根的图片;(B) 影响甜高粱吸收和积累镉的关键过程示意图。这些过程包括:a镉从外部进入细胞b细胞壁对镉的结合c内皮层质外体屏障d木质部转运。Heat map展示的是差异表达基因中参与共质体途径的转运蛋白基因和参与凯氏带形成的基因 

 

        镉污染问题严重威胁着粮食安全和人类健康,如何有效治理土壤镉污染越来越受到人们的关注。甜高粱具有茎秆含糖量高、生长周期短、生物量大、抗逆性强、适种范围广等优势,是最具前景的生物质能源植物之一。利用甜高粱修复污染土壤其茎秆和籽粒通过固体发酵技术生产乙醇,酒糟可用于燃烧发电,而镉可从燃烧后的灰烬中加以回收,这样镉就从食物链转移到能源链中,同时兼顾了生态和经济效益。但是,目前对甜高粱吸收的研究较少,多局限于生理层面。此外,作为一种非超富集植物,甜高粱吸收的多储存于根中。因此解析甜高粱吸收的生理和分子机理促进从根向地上部分的转运是提高甜高粱吸收能力的重要前提。

中国科学院植物研究所李银心研究组对来自全球不同地区的96甜高粱品系进行了筛选,发现不同品系对镉的耐受、吸收和转运能力具有很大差异。进一步以筛选出的镉转运能力的两个甜高粱品系H18L69(镉转运系数相差4倍)为材料,揭示影响甜高粱吸收和转运镉的关键因素。结果表明,H18通过共质体途径吸收的镉显著高于L69,且其根的内皮层中质外体屏障较L69更弱,木质部汁液中镉的含量也更高。利用比较转录组学,通过分析两个品系间的差异表达基因及镉响应基因的异同,聚焦到苯丙素和木质素合成、细胞壁修饰等过程,此外,一些金属转运蛋白基因的差异表达也可能是导致两个甜高粱品系对镉吸收和转运能力不同的重要原因。由此提出:根的吸收、细胞壁的结合、内皮层的阻隔作用以及木质部装载等多个过程的协同作用决定了甜高粱对镉的吸收和转运能力。

该项研究从生理、细胞和分子水平初步揭示了甜高粱吸收镉的机理,鉴定出多个影响镉吸收和转运的关键基因,为利用生物技术提高甜高粱吸收镉的能力提供了新的靶标和思路。

研究成果近期在线发表于国际学术期刊Plant Biotechnology Journal李银心研究组助理研究员冯娟娟和博士研究生贾伟涛为论文的共同第一作者高粱吸收镉的品系筛选研究在线发表于国际学术期刊Ecotoxicology and Environmental Safety,博士研究生贾伟涛为第一作者李银心研究员为这两篇论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发项目和国家科技惠民计划的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1111/pbi.12795

                  http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.07.002

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