项目文章 | 4连发，西南科技大学罗学刚课题组探究重金属元素对植物的毒性机理研究

继2019年10月、2020年5月、2020年6月，欧易/鹿明生物合作客户西南科技大学环境与资源学院罗学刚课题组第四次在Journal of Hazardous Materials杂志（影响因子9.038）发表文章。名为“Analysis of accumulation and phytotoxicity mechanism of uranium and cadmium in two sweet potato cultivars”的文章，通过转录组学技术，深入地研究了重金属元素铀和镉对植物的毒性机制。

铀（U）和镉（Cd）是典型的核工业污染物，它们被植物吸收和积累、进入食物链并在人体中富集。铀和镉在植物器官（根、茎和叶）的积累和转移差异与品种有较大相关性。作为重要的粮食作物，甘薯的根部块茎是主要的食用部位，也是重金属蓄积的重要部位。了解甘薯中U和Cd的吸收，运输和毒性机理对于减少因U和Cd过量积累而引起的潜在健康风险非常必要。在前面的文章中研究了铀和镉对甘薯代谢水平的影响，但在转录组水平上对甘薯根的吸收，转运和对U和Cd的植物毒性反应机制仍不清楚。因此本研究从亚细胞结构、生理代谢和转录组角度阐述了两种积累型甘薯对U和Cd的吸收、转运和毒性反应机理。

1.实验材料与分组

（1）材料：高积累型紫色和低积累型普通甘薯幼苗（营养液中培养）。

（2）四个处理组：对照组（对照组，仅营养液），U暴露组（铀浓度25μM），Cd暴露组（Cd浓度25μM），以及U-Cd联合暴露组（铀和镉浓度各25μM），暴露时间72小时（3天）。

2.根结构和元素含量分析

（1）根微观结构：扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和能量色散光谱仪（EDS）、红外光谱分析（FT-IR）。

（2）根部矿物质元素：铀238（ICP-MS），钾、钙、钠、铁、镁、锰、锌、铜和镉（原子吸收），磷（Mo-Sb比色法），每组三个生物学重复。

（3）铀和镉的化学形态和亚细胞分布分析

（4）光合参数（光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度和蒸腾速率），叶绿素和脯氨酸含量分析。

3.转录组实验

（1）转录组分析：提取幼苗根RNA和转录组测序，每组三个生物学重复；

（2）qRT-PCR验证：随机选择10个DEG；

1.铀和镉对植物生长和根系微结构的毒性作用

无论是铀还是镉暴露（U，Cd和U + Cd处理）对两个甘薯品种都有明显的毒性作用，例如抑制根系生长和导致植物死亡。U和Cd的毒性显著抑制了两个甘薯的主根和侧根的生长。经过处理的甘薯根部气生生物量、根生物量等数据（表1）都有明显下降。

表1 |暴露于铀、镉对两个甘薯根长和生物量的影响

根部病理切片显示，铀显著破坏了甘薯根细胞层，SEM和EDS结果表明两个甘薯品种的根中都富集了高浓度的U和Cd（图1），TEM分析表明，U和Cd明显破坏了两个甘薯的根细胞结构。

图1 | 铀、镉暴露对两种甘薯根系生长，组织结构和超微结构的影响

2.铀和镉在亚细胞分布形式和化学形态

两个品种中U和Cd主要在根积累。紫色品种的U和Cd积累能力比普通品种更强。但在两个品种中，镉的转运能力都比铀强（表2），并且根中U和Cd的亚细胞分布明显不同。

表2 |甘薯中铀和镉的吸收和转运特性

铀主要分布在细胞壁，镉分布的差异为细胞壁>细胞可溶性成分>细胞器（图2）。两个品种铀的化学形态主要是不溶物形式（图2C）。紫色品种根中的镉的化学形态主要为可溶性NaCl。FT-IR分析显示两个品种中的U和Cd光谱非常相似。

图2 | 甘薯根中铀和镉的亚细胞分布（A，B），化学形态（C，D）和FT-IR透射光谱（E，F）特征分析

3.铀和镉对矿质元素吸收和转运的影响

铀和镉暴露对两个品种的钙、磷、铁、锰和锌元素的吸收都有显著影响（图3）。但主成分分析（PCA）显示两个甘薯品种的矿物质代谢存在显著差异。热图聚类分析结果表明，紫色甘薯中U和Cd的毒性显著抑制根中Fe，Zn，P，Mn的向植物茎叶的转移（图3K）。与紫色甘薯相比，普通甘薯中矿质元素的迁移特征没有明显变化（图3L）。

图3 | 铀和镉暴露对甘薯矿质养分代谢的影响

4.铀、镉暴露对甘薯光合作用和脯氨酸代谢的影响

图4所示，在单独或组合暴露于U或Cd后，两个品种的光合代谢均被显著抑制。紫色和普通甘薯中光合参数Pn，E，Gs和Ci显著降低，证实了甘薯的光合作用碳代谢途径被U和Cd毒性破坏。叶绿素荧光参数表明，U和Cd毒性也显著抑制Fv / Fm、Y（II）、ETR、qP和NPQ参数（图4E-I），但紫色甘薯的叶绿素含量（叶绿素a/ b）明显高于普通甘薯。铀和镉联合毒性也导致甘薯叶绿素含量显著降低（图4J，K）。

紫色品种的脯氨酸积累量高于普通品种。单独使用Cd和U + Cd处理可显著增加两个品种根中脯氨酸的积累（图4L），这表明脯氨酸可能在调节甘薯对Cd毒性的生理反应中起重要作用。

图4 | 铀和镉暴露对两个甘薯光合作用参数、叶绿素荧光参数、叶绿素含量和脯氨酸含量的影响

5.转录组分析和KEGG富集途径分析

PCA分析显示，无论是单独还是联合暴露于U或Cd，两个品种的转录组谱都发生了变化（图5A）。由于U和Cd积累较高，紫色品种的DEG数量显著高于普通品种（图5B）。与单一的U或Cd胁迫相比，在联合胁迫中两种甘薯品种的DEG数量几乎翻倍（图5B，C），表明植物对U和Cd的响应模式可能存在差异。

图5 | 铀、镉暴露下两个甘薯转录组的PCA分析

当植物暴露于铀时，紫色甘薯中的DEGs富集途径包括核糖体、光合成触角蛋白、苯丙烷类生物合成、光合作用、玉米素蛋白合成和氮代谢途径。（图6A），而普通甘薯中的DEGs富含核糖体和光合作用途径（图6D）。镉暴露下紫色品种的DEGs在35种途径中显著富集，如苯丙烷类生物合成、α-亚麻酸代谢和类黄酮生物合成途径（图6B），而普通甘薯DEGs显著富集的途径包括核糖体、苯丙烷类生物合成、谷胱甘肽代谢以及倍半萜和三萜类生物合成途径（图6E）。铀和镉组合暴露下，紫色甘薯的DEGs富集在27种代谢途径（图6C），而普通甘薯的DEGs则有9种代谢途径（图6F）。在本研究中，DEGs的KEGG富集途径证实了两种植物品种之间U和Cd响应模式的差异。

图6 | 不同暴露水平下KEGG途径中两种甘薯根DEG富集的气泡图分析

6.红薯对U和Cd毒性的防御机制

如图7所示，U和Cd暴露显著诱导了甘薯防御相关基因表达，包括植物激素信号转导、MAPK信号转导、抗氧化剂物质或酶以及防御相关转录因子。这些基因的表达上调以抵抗U和Cd毒性。氧化还原、过氧化物酶和谷胱甘肽-s-转移酶基因家族的表达模式上调，可以减轻细胞的过氧化损伤，提高对U和Cd毒性的抵抗力。

图7 | 使用Mapman软件对甘薯根对铀和镉毒性的防御反应网络进行可视化分析

细胞壁是抵抗U和Cd毒性的第一个障碍，是U和Cd 胁迫下RNA-seq分布的主要部位。U和Cd暴露会干扰细胞壁结构蛋白、果胶酸裂解酶和细胞合成的RNA表达，导致细胞壁合成和修复异常（表3）。

表3 | 铀、镉暴露对细胞壁结构中蛋白质相关基因表达的影响

7.两个甘薯品种中转运蛋白的反应差异

通过将DEGs映射到无机离子迁移和有机化合物迁移途径，研究了甘薯转运蛋白基因对三种暴露处理的响应机制。所有处理均显著改变了两个甘薯品种中转运蛋白相关基因的表达模式（图8）。对于有机化合物转运，在两个甘薯品种的所有三种处理中，涉及糖、核苷酸、氨基酸、寡肽和脂质的转运蛋白基因均异常表达（图8）。因此两个甘薯品种中矿质元素代谢失衡的机理与甘薯植物单独或联合暴露于U或Cd后涉及有机/无机转运蛋白相关基因的异常表达方式有关。

图8 | 铀和镉暴露对无机离子和有机化合物中转运蛋白相关基因表达模式的影响

本研究发现暴露于U或Cd会导致甘薯生物量减少并抑制幼苗生长，U和Cd毒性具有明显的联合作用（表1和图1）。病理切片结果证实，铀可破坏甘薯根尖的边缘细胞；SEM和EDS结果也表明，根表面的U含量明显高于Cd（图1A，B）。可能的原因是根部有机酸或无机酸与铀离子结合形成不溶化合物。根细胞超微结构结果表明，暴露于U和Cd后根细胞的形状、大小、细胞器分布和细胞壁结构显著变化（图1C，D），表明根细胞结构被破坏是根坏死的主要原因。

虽然U和Cd对两种甘薯根均有毒性作用，但破坏程度不同，可能与两个品种根中U和Cd的积累及解毒能力有关（表2）。植物中U和Cd的亚细胞分布和化学形式直接影响这些元素在植物中的毒性。例如铀在根的细胞壁，细胞器和细胞质的分布比例为8：2：1；镉主要分布在植物细胞壁和可溶性成分中。本研究发现细胞壁是铀最重要的积累位点，当大部分铀被细胞壁阻塞时很难迁移到植物的地上部分。细胞壁和液泡是Cd的主要积累部位，Cd在细胞器的分布减少也减轻了Cd对植物的毒性（图2A，B）。在本研究中，两个甘薯品种之间的U和Cd传递系数差异是由于根中U和Cd的化学形式不同所致。甘薯中U的迁移系数比Cd的迁移系数低，是因为U以草酸盐等不溶物形式存在于根中（表2）。紫色甘薯的根中水溶性和NaCl可提取形式的Cd含量高于普通甘薯，表明紫色品种中Cd的生物利用度更高（图2C，D）。

根部高浓度的U和Cd积累与矿质养分的代谢有明显的协同作用（图3A-J）。紫色甘薯处理组对铁，磷，锌和锰的转运能力显著降低（图3K，L），而植物地上部分的叶绿素荧光参数下降表明U和Cd破坏了光系统II的结构和电子传输链，是U和Cd对紫色品种抑制作用更强的直接原因，解释了紫色品种生物量较低的原因（图4A–K）。

本研究通过RNA-seq和生物信息学分析获得甘薯根的高质量单基因数据库（图5）。PCA显示U，Cd改变了根的转录谱，表明根在转录组水平上对U，Cd毒性有反应（图5A）。在两个品种中细胞壁和植物激素信号转导途径均对U或Cd毒性作出反应。与细胞壁结构相关的代谢物或功能蛋白的基因被显著抑制。甘薯中脱落酸（ABA）、乙烯、水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）介导的信号转导途径的基因表达被上调以抵抗U和Cd毒性。生长素信号转导途径基因表达的失衡可能导致甘薯异常生长（图7）。

重金属吸收进入植物的途径主要取决于阳离子转运蛋白或根细胞中的通道。在本研究中，两个甘薯品种的矿质养分代谢（图3）和光合代谢（图4）的差异是U和Cd积累差异的原因之一。两个甘薯品种根部的无机离子转运蛋白和有机化合物转运蛋白对U和Cd毒性均敏感（图8）。糖、脂质、核苷酸和氨基酸等代谢物的有机化合物转运蛋白的基因表达失衡可能会导致甘薯中的初级代谢异常。铀和镉暴露也显著改变了钾、钙、磷、硫和氮运动相关的转运蛋白基因的表达方式，可能是这些植物中矿物质营养代谢异常的原因。紫色品种中与无机离子转运蛋白相关的上调基因的数量显著大于普通品种，表明可能更有效的转运能力是紫色甘薯中U和Cd积累高的原因。

本研究为揭示甘薯（Ipomoea batatas L.）根系暴露于有毒水平的铀（U）和镉（Cd）后的植物毒性机制，选择了两个蓄积型甘薯品种作为实验材料。通过水培实验分析了铀和镉积累和生理代谢的差异。高浓度的铀和镉抑制了甘薯的生长发育，破坏了根的微观结构。甘薯中铀和镉主要积累在根部，根细胞壁和液泡（可溶性成分）是铀和镉的主要分布部位。两个甘薯品种中铀化学形式为不溶性和草酸盐化合物，而镉主要与果胶和蛋白质结合。铀和镉改变了根部正常的矿物质营养代谢，也显著抑制甘薯的光合代谢。RNA-seq显示，在两个品种中细胞壁和植物激素信号转导途径均对铀和镉毒性产生响应。两个甘薯品种根部的无机离子转运蛋白和有机化合物转运蛋白对铀和镉毒性敏感。

西南科技大学在植物重金属胁迫研究方面渐入佳境，在之前两种重金属元素（铀和镉）的基础上，本研究增加了不同品种甘薯的样本，并且首次考察了两种重金属元素在不同细胞亚结构上的化学形态与含量差异，将重金属研究的深度提升到了元素形态水平。而转录组学在毒性机制研究中发挥了关键作用，结合多种根表观实验结果，证实了两种重金属元素破坏甘薯根细胞结构的差异性和深层次的应答机制，其研究程度和思考的深入性，可作为国内该领域研究的经典范例。

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嫣然 撰文

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