重金属诱导的柳树离子组变异及其元素稳态重建机制

Heavy metal(HM) contamination is a widespread and important environmental concern. Various in situ and ex situ cleanup technologies have been employed, of which phytoremediation is promising due to its low implementation costs and significant environmental benefits. Under the selective pressure of high concentration of HMs, minerals and HMs homeostasis are crucial for HM resistance in plants. The micro-distribution of HMs in roots of Salix integra were detected by synchrotron-based micro-X-ray fluorescence (μ-XRF) in the previous studies and indicating the critical role of apoplastic barriers in the selective entry of HMs into the vascular system. To elucidate the mechanisms of apoplastic barriers in controlling the ion homeostasis, in this project, the ionomic variation in different tissues of S. integra were determined by ionomics method for the purpose of understanding the interactions of mineral elements and HMs. Differences in the development of apoplastic barriers in roots of S. integra in the presence of cadmium(Cd)was furtherly investigated to illustrate the regulative role of the secondary deposition of cell wall in maintaining ion homeostasis. Using noninvasive microtest technology (NMT) and transcriptomic sequencing, the Cd dynamic uptake in roots and the interaction mechanism with responsive genes related in the transport of other bivalent cations might be revealed, and the molecular regulative network for ion homeostasis will be constructed. The results would actually provide the theoretical basis for breeding of new willow varieties with high biomass and heavy metal accumulation.

土壤重金属污染是全球面临的重要环境问题，当前国际上治理大面积土壤重金属污染最经济有效的方法是植物修复技术。在高浓度重金属的选择压力下，维持体内重金属和矿质营养的离子平衡，对提高植物重金属的抗性至关重要。前期采用同步辐射X-射线荧光（XRF）技术构建了杞柳（Salix integra）根系重金属的微区分布图谱，发现根系非原生质体屏障对重金属的滞留作用。为进一步了解这种滞留作用对重金属和矿质元素吸收平衡的调控机制，本项目采用离子组学方法，继续以杞柳为研究对象，通过分析不同组织离子谱的变异，阐明重金属和矿质元素在杞柳体内的互作方式；进一步分析镉对根部非原生质体屏障发育的影响，揭示根细胞壁次生加厚对离子稳态的调控机制；结合非损伤微测技术和转录组学方法，研究二价阳离子转运蛋白对镉积累能力的贡献，从而构建杞柳体内离子稳态机制的分子调控网络，为选育具有高生物量和重金属高积累量的柳树新品种奠定理论基础。

利用速生树种对重金属污染土壤进行修复是当前植物修复领域关注的热点问题。柳树是用于植物修复的理想材料，无论对矿质营养还是重金属均具有很强的摄取能力，从离子组学角度探索矿质营养和重金属吸收之间的矛盾，对阐明木本植物重金属富集机制以及基于营养强化措施提高植物修复效率的应用具有重要的理论价值和现实意义。项目以杞柳（Salix integra）等灌木柳不同镉（Cd）敏感型品种为材料，综合应用组织化学方法、LA-ICP-MS等高通量元素分析技术，研究了重金属胁迫下杞柳组织离子组变异特征、重金属对根部非原生质体屏障发育的影响、根系细胞壁对重金属的吸附特性，以及杞柳根系对重金属及矿质元素的动态吸收和重金属诱导的离子转运蛋白相关基因的表达模式等。.研究获得了杞柳不同组织离子组成图谱，明确Cd不同敏感型杞柳品种离子组变异特征，阐明Cd与其他元素互作关系；发现叶片具有高镉浓度的灌木柳品种可作为亲本用于杂交产生高镉子代，为创制高镉积累型柳树品种的控制授粉提供亲本选择依据。.阐明杞柳对镉的区隔化策略，证实杞柳根系对镉的富集主要发生在细胞壁，进一步对根系细胞壁不同组分的吸附功能进行解析，发现果胶和木质素含量的增加提高了细胞壁的刚性及其与镉的结合能力；同时发现，镉影响细胞壁的加厚进程，导致凯氏带发育起始位点的提前。.明确不同敏感型柳树品种根系对Cd2+的最大吸收区、流速差异，阐明非选择性阳离子通道在柳树Cd吸收过程中的贡献。结合杞柳不同组织应答镉的转录组学数据分析，发现与根细胞壁次生加厚以及二价阳离子转运相关基因，并阐明这些基因表达的组织差异及其时序特性，初步探明杞柳响应镉胁迫的离子组调控机制。研究对阐明柳属植物富集镉的机制以及在权衡重金属离子和营养元素吸收之间采取的策略具有重要意义，为基于柳属植物进行重金属污染的强化修复提供理论依据。