土壤中铅在茶树根细胞壁累积的分子机制

Lead (Pb) contamination is a major problem for the quality and safety of our tea products. Tea root is a major organ for the absorption and accumulation of lead, and the cell wall play an important role in the process.By the indoor simulation experiments with different tea varieties possessing different lead accumulation characteristics, and the methods, such as SEM, TEM, EDX, FTIR, SRXRF, XANES, EXAF, immunofluorescence positioning, 2D-PAGE and cDNA-AFLP technique, the project intends to (i) ascertain the competitive adsorption mechanism of lead between cell walls components of tea plant roots and soil; (ii)clarify cell wall sites for lead adsorption and immobility, the adsorption capacity, microstructure, microdistribution and molecular forms of lead; (iii) clear the changes of cell wall components(pectin, cellulose, hemicellulose and lignin) of tea plant roots, and their impact on the lead accumulation; (iv) explore the differential expression of cell wall proteins under lead stress, and the relationship between lead stress and gene expression for cell wall component synthesis, and finally to elucidate the molecular mechanism of lead accumulation in cell walls of roots of tea plants (Camellia sinensis L.) and provide the scientific basis for the tea lead pollution control and protection of human health.

茶叶的铅污染是我国茶叶产品质量安全的一个主要问题。根系是茶树铅吸收累积的主要器官，细胞壁在茶树根系铅累积过程中起着重要作用。本项目拟以不同铅累积特性茶树品种为研究材料，以室内模拟实验为研究手段，采用SEM、TEM、EDX、FTIR、SRXRF、XANES、EXAFS等先进的微结构分析技术和免疫荧光定位、2D-PAGE、cDNA-AFLP等现代生物技术，弄清土壤与茶树根细胞壁不同组分对铅的竞争吸附机制；明确细胞壁吸附固定铅的功能位点、吸附容量和铅的微观结构、微区分布和分子形态；探明茶树根细胞壁不同组分（果胶、纤维素、半纤维和木质素等）的变化及其对铅累积的影响；探索研究铅胁迫下根细胞壁蛋白的表达差异，铅胁迫与细胞壁组分合成相关基因表达的关系，最终阐明土壤中铅在茶树根细胞壁累积的分子机制，为茶叶铅污染控制和保障人体健康提供科学依据。

根系是茶树铅吸收累积的主要器官，细胞壁在茶树根系铅累积过程中起着重要作用。开展土壤中铅在茶树根细胞壁累积的分子机制研究，可为茶叶铅污染控制和保障人体健康提供科学依据。主要研究结果包括：（1）不同品种茶树根区的水溶性物质、富里酸、胡敏素的差异较大；根区土壤腐殖质组分与交换态铅含量、茶树老根的铅含量之间存在显著相关性；根区土壤可溶性腐殖质与叶片铅含量呈显著正相关关系。根际水溶性物质、富啡酸与茶树各组织铅含量显著正相关。HA对铅的吸附用Langmuir模型拟合较好，而茶树根CW对铅的吸附用Freundlich模型拟合更佳。HA对铅的饱和吸附量远大于CW，但CW对铅的吸附能力稍大于HA。羧基对胡敏酸络合铅的贡献较大，而羟基主要参与了根细胞壁对铅的吸附。除了胡敏酸和细胞壁分别对铅有吸附配合作用外，胡敏酸可能通过CW-Pb-HA三元复合物的结合方式参与根细胞壁对铅的吸附和固定。（2）不同品种茶树根细胞壁上羧基（-COOH）、氨基基团（-NH2）和蛋白质百分含量存在差异。Pb主要与细胞壁纤维素、半纤维素和木质素的羧基官能团发生结合作用。根组织Pb的亚细胞百分含量分布规律：细胞壁组分>细胞器组分>可溶物质组分>细胞膜组分，但不同亚细胞组分Pb的百分含量在品种间存在差异。根组织中Pb的化学结合形态主要以FNaCl提取态、FHAc提取态为主，但各形态Pb的百分含量水平在品种间也存在差异。茶树根部铅的主要分子形态为纤维素结合态铅和磷酸铅，而草酸铅和茶氨酸铅是茶树地上部铅的主要分子形态。胡敏酸的添加增加了茶树各组织纤维素结合态铅的比例，而磷酸铅、草酸铅以及茶氨酸铅的比例均有不同程度的下降。绝大多数的Pb2+（68.42%）吸附在纤维素上，其次是果胶（26.31%）。果胶吸附的主要功能团是羟基、羧基；HC1是羧基；HC2起作用的功能团主要是羟基。（3）胡敏酸的添加促进了铅元素通过根系维管组织向地上部的转运。铅胁迫条件下，果胶中的糖醛酸含量有所降低，阿拉伯糖和半乳糖等中性糖含量都有所升高,胡敏酸的添加增加了细胞壁果胶总糖和糖醛酸的含量，降低了阿拉伯糖和半乳糖的含量，提高了细胞壁钙离子的浓度。iTRAQ蛋白质组学研究发现，铅处理和胡敏酸加铅处理出现的显著表达差异蛋白数目为52个，其中上调表达蛋白20个，下调表达蛋白32个，主要涉及抗氧化胁迫、信号转导、细胞壁糖类物质代谢及含硫物质的代谢等过程。