硼提高油菜根系鎘毒耐受性機(jī)理
硼提高油菜地上部鎘毒耐受性的生理機(jī)制
南方稻油輪作區(qū)為糧油作物生產(chǎn)提供了得天獨(dú)厚的氣候、土壤條件，但是該區(qū)域酸性土壤存在有效硼含量低和鎘含量超標(biāo)等障礙因子。甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）具有較大的生物量和較強(qiáng)的重金屬吸收能力，并且鎘轉(zhuǎn)移到菜籽油中的比例極低，不影響其品質(zhì)安全，所以油菜在土壤鎘污染修復(fù)方面具有較高的應(yīng)用潛力。硼對(duì)于維持正常的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和功能有非常重要的作用，細(xì)胞壁又是植物應(yīng)對(duì)鎘毒害重要的細(xì)胞組分，故推測(cè)硼對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和各物質(zhì)組分的影響必然參與細(xì)胞壁對(duì)鎘的阻隔和吸附固定，進(jìn)而提高油菜的鎘毒耐受性，發(fā)揮土壤鎘污染生物修復(fù)潛力。
近日，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)張振華老師課題組在中科院一區(qū)國(guó)際頂尖期刊Science of the Total Environment （5年影響因子5.73）發(fā)文 “Boron alleviates cadmium toxicity in Brassica napus by promoting the chelation of cadmium onto the root cell wall components” 。闡明了硼對(duì)油菜根系細(xì)胞壁果膠固定鎘能力的提高是促進(jìn)油菜耐受鎘毒的根本原因。本課題測(cè)定了鎘脅迫下不同施硼水平對(duì)根系細(xì)胞壁各組分含量及各組分鎘含量，發(fā)現(xiàn)施硼顯著促進(jìn)了細(xì)胞壁不同形態(tài)果膠含量、果膠去甲基化程度和果膠鎘含量，尤其是共價(jià)結(jié)合態(tài)果膠，這說(shuō)明細(xì)胞壁共價(jià)結(jié)合態(tài)果膠可溶性果膠對(duì)鎘的固定可能是硼促進(jìn)油菜根系鎘毒耐受性的主要生理原因。通過(guò)對(duì)相關(guān)酶活性測(cè)定、代謝組合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下施硼影響了根細(xì)胞壁果膠的合成代謝途徑及去甲基化過(guò)程，使細(xì)胞壁對(duì)鎘具有更強(qiáng)的固定能力。
該課題組同時(shí)在中科院一區(qū)國(guó)際頂尖期刊Environmental Pollution （5年影響因子6.15）發(fā)表的姊妹篇 “Boron mitigates cadmium toxicity to rapeseed （Brassica napus） shoots by relieving oxidative stress and enhancing cadmium chelation onto cell walls” 揭示了硼對(duì)油菜地上部細(xì)胞壁離子結(jié)合態(tài)果膠含量和去甲基酯化度的提高是促進(jìn)油菜地上部細(xì)胞壁固定鎘，進(jìn)而促進(jìn)油菜鎘毒下生長(zhǎng)潛力的根本原因。
綜上所述，通過(guò)對(duì)鎘脅迫下施硼對(duì)油菜生理基礎(chǔ)、代謝途徑和轉(zhuǎn)錄水平的研究，明確了硼對(duì)油菜細(xì)胞壁果膠結(jié)合鎘能力的提高是促進(jìn)油菜耐受鎘毒、保持生長(zhǎng)潛力的重要原因。
張振華老師課題組一直致力于稻油輪作體系下糧油作物養(yǎng)分高效和適應(yīng)非生物脅迫的生物學(xué)機(jī)制研究，該系列最新成果為油菜作為南方稻油輪作區(qū)土壤鎘污染生物修復(fù)作物提供了理論支撐和技術(shù)支持。這兩篇文章第一作者均為我校吳秀文博士，通訊作者為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)張振華教授；官春云院士，以及資源環(huán)境學(xué)院宋海星教授為文章共同作者。文章得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，湖南省創(chuàng)新群體項(xiàng)目，國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)體系等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138833
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114546
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