基于精细取样和转录组测序解析重金属铅诱导杨树根尖凯氏带形成的激素调控途径

The low translocation rate of lead (Pb) from the roots to the shoots of poplars limits the phytoremediation efficiency of Pb-contaminated soil. Our previous study showed that Pb inducing Casparian strip (CS) formation in the root tips was a pivotal reason for the low translocation rate of Pb. Hormones may mediate the Pb-induced CS formation in the root tips of poplar, however, the regulatory pathways of which are still uncovered. In this study, Populus × canescens root apexes will be employed to address this question. Firstly, the transcript levels of CASPs, which are the initiation genes in CS formation and CS deposition will be analyzed in the root tips at different time points to make clear the initiation time of Pb inducing CS formation; Secondly, according to the initiation time of Pb inducing CS formation, the stele cells will be selectively cut from the root tips with a laser capture microdissection system. Then the mRNA levels of SHR, a hub gene regulating CS formation, and hormone related transcript factors, such as AREB2、ERF4、ARF10 that regulate the expression of SHR will be analyzed in the stele cells to reveal the hormone signaling pathways of Pb inducing CS formation. Subsequently, the concentrations of ABA, ETH, IAA etc., and the promoting and inhibiting effects of these hormones on Pb inducing CS formation will be determined to verify the regulatory effects of these hormones on Pb inducing CS formation. Finally, based on these analysis we will uncover the hormone regulation pathways of Pb inducing CS formation in the root tips of poplar. The results will provide theoretical basis for breeding new varieties of tress for phytoremediation of Pb-contaminated soil, which can be of significance to improve the phytoremediation efficiency of Pb-contaminated soil.

杨树根中的铅（Pb）向地上部分转运率低，严重制约了修复Pb污染土壤的效率。Pb诱导杨树根尖凯氏带（CS）形成是导致Pb转运率低的重要原因。激素可能介导了Pb诱导的CS形成，但其调控途径尚不清楚。鉴于此，本项目拟以灰杨（Populus × canescens）根尖顶端为对象，首先分析不同时间CS形成起始基因CASPs的转录表达和CS形成情况，明确Pb诱导CS形成的起始时间；基于此，利用显微切割分离中柱细胞，分析调控CS形成的核心基因SHR及其上游激素相关转录因子AREB2、ERF4、ARF10等的表达情况，解析Pb诱导CS形成的激素信号途径；随后，分析ABA、ETH、IAA等激素含量以及它们对Pb诱导CS形成的促进/抑制作用，明确这些激素在Pb诱导CS形成中的调控作用；最后，解析Pb诱导杨树根尖CS形成的激素调控途径。研究成果可为培育林木新品种，提高林木修复Pb污染土壤的效率，提供理论支持。

我国约有9万平方公里的土壤铅（Pb）超标。土壤中的Pb能通过食物链进入人体，危害人类健康。相比于传统的物理化学修复方法，利用生长速度快、根系发达、生物量大的植物，如杨树，修复Pb污染土壤成本低、无次生污染，更符合我国土壤Pb污染的治理需求。然而，杨树根系吸收的Pb只有很少一部分被转运到了地上部分，严重制约了修复Pb污染土壤的效率。前期研究发现，Pb胁迫诱导凯氏带形成，引起的凯氏带起点向根尖顶端靠近可能是造成根中的Pb向地上部分转运效率低的重要原因，但其内在调控途径尚不清楚。针对这种现状，本项目以灰杨为试材，首先明确Pb胁迫下凯氏带合成相关基因的时间表达规律，随后揭示Pb诱导凯氏带形成的激素信号，最后明确激素在Pb诱导凯氏带形成中的介导作用。结果显示，凯氏带形成上游调控基因，如SHR、SCRs，对Pb胁迫的响应较低，大量基因出现下调表达，而以MYB36a和MYB36b为首的下游基因出现十分强烈的上调表达；以凯氏带合成基因为基础构建了3级调控网络，共有50个转录因子，其中，位于最上层的Potr.012G108500表达时间规律与凯氏带形成相关基因十分吻合，且其上调表达最高，在96 h时上调了512倍。以该基因为核心重新构建了层级调控网络，共有39个转录因子在该网络中，其中，有20个响应ETH信号。进一步，对Pb胁迫下杨树根尖中的激素含量变化进行分析，发现仅有ACC的含量变化符合凯氏带形成相关基因的表达模式。随后，用乙烯前体ACC和和乙烯合成抑制剂AIB处理灰杨，发现ACC进一步增强了Pb对凯氏带形成的诱导，而AIB则缓解了Pb对凯氏带形成的诱导。这些结果表明，Pb胁迫导致杨树根尖中ETH合成增加，很可能通过诱导Potr.12G108500等ETH响应转录因子的上调表达，进而使MYB36上调表达，从而促进凯氏带的形成，导致凯氏带起始位置向根尖顶端靠近。本研究不仅为木本植物根系凯氏带发育响应重金属胁迫的研究奠定了理论基础，还为抗重金属以及重金属富集型林木新种质的培育提供了科学依据，对推动我国重金属污染土壤的植物修复治理具有重要意义。