植物络合素介导的豆梨镉解毒机理研究

植物络合素（PCs）在镉的螯合解毒过程中起重要作用，但蔷薇科果树PCs合成相关基因在镉污染下的协同表达及调控机理尚不清楚。我们前期研究表明豆梨PCs合成关键基因（PcPCS）受镉诱导上调，且PCs合成抑制剂或底物均可引起幼苗根系和叶片镉含量变化。本项目在此基础上，拟克隆豆梨PCs合成途径3个基因，创制PcPCS超表达和反义表达转基因豆梨，结合果树以嫁接为主要繁殖方式的特点，微型嫁接获得转基因豆梨（砧木）-丰水（接穗）嫁接苗，在镉污染条件下施加抑制剂或底物，利用实时荧光定量PCR和高效液相色谱法研究PCs合成途径上下游基因协同表达和相互调控对PCs合成的影响，采用石墨炉原子吸收法检测嫁接苗镉分布状况和形态组成，从而分析砧木PCs合成转运与镉向嫁接苗地上部运输之间的关系，以期通过本研究来揭示植物络合素介导的豆梨镉解毒机理，为能够有效降低接穗（地上部）镉积累的梨砧木育种及栽培技术提供理论指导。

重金属污染危害农产品品质和人体健康，植物对镉的解毒机制主要通过合成植物络合素（Phytochelatins，PCs），在细胞内螯合重金属并以复合物的形式进行区域化隔离，从而降低镉离子的移动性和生物毒性。果树生产普遍采用砧木嫁接品种的繁殖方式，豆梨（Pyrus calleryana Dcne.）为我国南方梨产区主要梨砧木之一，研究PCs介导的豆梨镉解毒机理具有现实意义。. 本项目从豆梨分离获得3个PCs合成途径基因，它们对镉胁迫存在转录上调响应，但主要表达器官和表达高峰出现的时间存在差异；过量表达PcγECS或PcPCS1均可促进重组大肠杆菌菌株中PCs合成，同时转化体的镉耐受和积累能力增强，而超表达PcPCS1或反义表达PcPCS1能够改变转基因豆梨PcPCS1的表达水平，从而影响PCs合成，最终调控植株各器官镉的积累。具体表现为超表达PcPCS1促进PCs合成，地上部镉含量增加，主要以毒性较低的氯化钠提取态（蛋白结合镉）分布在细胞壁和细胞可溶性部分（包括液泡），施加GSH对上述效果有加合效应，而BSO可部分抵消超表达PcPCS1的效果；反义表达PcPCS1减少PCs合成，根系积累镉的比例增加，镉主要以毒性较低氯化钠提取态分布在细胞壁上，施加GSH可部分弥补PCs合成的减少，而BSO增强反义表达PcPCS1抑制PCs合成的效果。豆梨（砧木）PCs合成状况直接调控‘丰水’（接穗）/豆梨（砧木）嫁接苗地上部镉含量、亚细胞分布和化学形态组成。上述结果表明豆梨PCs在镉解毒过程起重要作用。. 此外，利用豆梨、转基因豆梨及‘丰水’（接穗）/豆梨（砧木）嫁接苗为研究对象的实验结果显示GSH可促进植株PcPCS1表达上调，PCs合成量增加，从而导致镉积累量上升，但增加的镉大部分形成毒性较低的氯化钠提取态，储存于液泡中进行区域化隔离解毒，BSO对植株PcPCS1表达、PCs合成及镉积累均存在抑制作用。. 本项目通过研究豆梨PCs合成的分子调控机制，揭示其所介导的镉分布情况，并阐明该物质对砧穗体系中镉转运状况的调控。相关研究成果已发表SCI文章3篇，授权发明专利1项，形成的研究思路和技术方法可为果树砧木类似研究提供理论依据和技术指导。