奥维森科技：转录组学技术探究镉在超积累植物中转运的分子调控机制

伴矿景天是一种具有高效吸收、转运和分配系统的镉(Cd)超积累植物，镉是一种非必需的有毒重金属，但对于超积累植物Cd运输和积累的分子调控机制尚不清楚。近期，中国林业科学院林业研究所在知名TOP期刊《Environmental and Experimental Botany》(IF=6.028/Q1)上发表的题目为“Suppression of highly efficient cadmium translocation by exogenous gibberellin provides insights into the molecular regulation mechanism of hyperaccumulation in Sedum plumbizincicola”的研究论文,研究结果发现稳态和信号转导途径可能对超积累植物伴矿景天中镉的高效转运调控起重要作用。

奥维森提供了真核无参转录组及三代全长转录组测序及分析服务。

研究背景

超积累植物可以在含金属的土壤上生长，它们从土壤中吸收重金属的能力很强，并在气生器官中的高度积累。镉(Cd)超积累植物可在地上部分储存超过100 mg/kg的Cd，且没有毒性症状。

赤霉素(GAs)是一种经典的植物激素，在调节矿质元素的吸收和运输方面发挥作用，并调节植物的许多发育过程和胁迫反应。伴矿景天是一种强Cd/Zn超积累植物，其中大部分Cd被吸收并转运到地上部分进行解毒。伴矿景天地上部与根部Cd浓度比为5.5-7.5,其较强的根冠运输能力是Cd超积累的关键特征。因此,本研究通过转录组学技术探究了镉在超积累植物中转运的分子调控机制。

研究方法

材料：伴矿景天试管苗

处理：用含有氯化镉(100或200μM)和赤霉素(0、1或10μM)的溶液对试管苗进行10天的处理,n=4。

测序技术：真核无参转录组及三代全长转录组

研究结果

1、外源赤霉素（GA3）抑制伴矿景天地上部分Cd积累

在含外源赤霉素(GA3)和不含外源赤霉素(GA3)处理10天后，测定不同部位的镉含量，研究发现外源GA3显著影响伴矿景天中Cd的积累。在不加赤霉素(0μM)的情况下，Cd在幼叶中的积累量最高，在100μM或200μM CdCl2处理下，Cd积累量排序为茎>成熟叶>根。然而，外源GA3显著增加了根中Cd的浓度，在100μM CdCl2处理下，成熟叶片中Cd的浓度分别是不加赤霉素时的26.42%(1μM GA3)和22.20%(10μM GA3)。幼叶中Cd浓度变化与成熟叶相似，外源GA3显著降低幼叶中Cd浓度。这些结果表明，外源赤霉素GA3提高了伴矿景天根中Cd的含量，但显著抑制了Cd从根部向地上部分的运输。

2、外源赤霉素（GA3）降低伴矿景天中Cd的转运量

测定不同处理下伴矿景天重金属转运系数(TF)（图2）和生物富集系数(BCF)（图3）,发现外源GA3显著抑制了伴矿景天对Cd的运输能力，外源GA3处理显著降低了Cd从根到茎、茎到成熟叶、茎到幼叶的转运系数。此外，Cd在茎中仍优先向幼叶运转。外源赤霉素GA3显著增加了Cd在根中的生物量，但赤霉素处理对地上部和全株的BCFs均有显著的负面影响。这些结果表明，外源赤霉素显著抑制了超积累植物伴矿景天对Cd的积累。

3、差异表达基因的鉴定

经赤霉素处理后，共鉴定出1461个差异基因，其中44个转录本在根和幼芽组织中的表达同时具有显著差异。外源赤霉素处理使伴矿景天的根和幼芽的转录本发生了显著的变化，大部分差异表达的转录本在根和幼芽中表达下调。

4、与运输相关的差异表达基因

通过对根和幼芽中DEGS进行GO富集分析，发现了可能与Cd运输相关的差异基因。GO富集分析发现，根中与结合相关的GO term显著富集，如四吡咯结合、辅因子结合、离子结合、金属离子结合和阳离子结合，这与赤霉素处理后伴矿景天体内镉转运减少的现象是一致的。使用MapMan(Mercator4V5.0)分析与溶质运输相关的差异基因，发现了67个与根中溶质运输相关的差异基因，36个与幼芽溶质运输相关的差异基因。

5、钙信号转导相关差异基因的表达

根据KOG分类注释信息，在根的信号转导机制中筛选出45个基因，其中37个基因表达下调。有趣的是，在对照(没有添加外源赤霉素)中表达丰度最高的四个基因都与钙转运或结合有关，并且在赤霉素处理后均下调。这些数据表明，外源赤霉素处理后镉转运的减少可能依赖于钙相关运输和信号转导的调节。类似地，在幼芽中有27个差异表达的信号转导基因，其中大多数与激酶活性有关，有23个在赤霉素处理下下调。

6、与细胞壁代谢相关的差异表达基因

MapMan分析揭示了许多与细胞壁代谢相关的差异基因，在根中与细胞壁组织相关的差异基因有27个，包括纤维素、半纤维素、果胶和细胞壁蛋白，其中24个在外源赤霉素的处理下下调。这些细胞壁代谢相关基因表达的降低，表明外源赤霉素可能会对镉的解毒作用产生负面影响。

7、qRT-PCR验证

为了验证差异表达基因的分析结果，我们选择了8个可能与伴矿景天中Cd积累相关的候选基因进行qRT-PCR验证。qRT-PCR分析表明，候选基因的表达模式与RNA-Seq数据中表达模式相似，证实了RNA-seq结果的有效性。外源赤霉素处理后，这8个候选基因在根或幼芽中均发生了显著的变化，说明这些基因在Cd处理下都对GA有响应。

研究结论

研究结果表明，外源赤霉素GA可以减少超积累植物伴矿景天对镉的运输。通过对第二代和第三代测序的转录组数据的联合分析，我们发现阳离子转运体、钙信号转导及细胞壁的代谢和修饰调控着镉在伴矿景天中的高效转运。未来，钙离子平衡和信号转导在植物镉超积累调控中的关键作用还需要进一步的分析及功能验证，这将促进我们对超积累植物中重金属运输的分子调控机制的理解。

参考文献

Zhang Y, Wu X, Mo Y, et al. Suppression of highly efficient cadmium translocation by exogenous gibberellin provides insights into the molecular regulation mechanism of hyperaccumulation in Sedum plumbizincicola[J]. Environmental and Experimental Botany, 2023, 209: 105296.