黄连对重金属Cd的时空动态吸收规律与转运机制研究

Coptis chinensis Franch., one of the staple medicinal materials in China, has a prominent problem of cadmium (Cd) contents exceeding the heavy metal limit standard. However, the mechanism of Cd absorption and transportation is still unclear. In our previous studies on the accumulation and detoxification mechanism of Cd in C. chinensis Franch., we found that the Ca ion channel and the apoplast pathway may play a key role in the absorption and transportation of Cd. In order to further clarify the spatio-temporal dynamic absorption and transportation mechanism of Cd in C. chinensis Franch., and to illuminate the function of NRAMP in Cd absorption and transportation process, our project intends to adopt Non-invasive Micro-test Technology, specific fluorescent probe of Cd, Laser scanning confocal microscopy, Synchrotron radiation X-ray fine structure spectrometry and molecular biological technology to detect and monitor the various evaluating indicators during the Cd absorption and transportation process of C. chinensis Franch.. This study has great significance for revealing the mechanism of regulating the absorption and transportation of Cd, reducing the accumulation of Cd, and cultivating low- pollution and high-quality C. chinensis Franch., as well as for improving the safety of Traditional Chinese Medicine. At the same time, taking C. chinensis Franch. as the breakthrough point, we could scientifically recognize the problem of heavy metals in Traditional Chinese Medicine, thus providing theoretical basis for formulating scientific and reasonable limit standards of heavy metals in Traditional Chinese Medicine in the future.

黄连是我国大宗药材之一，重金属镉（Cd）含量超标问题突出，但Cd吸收转运的机制尚不明确。我们前期对黄连Cd元素的积累和解毒机制开展了研究，发现Ca离子通道和质外体途径可能在Cd吸收转运过程中起关键作用。为了进一步阐明黄连对Cd的时空动态吸收转运机制及NRAMP基因在此过程中的功能，本项目拟采用非损伤微测技术、Cd特异性荧光探针、激光扫描共聚焦显微镜、同步辐射X射线精细结构谱及分子生物技术等对黄连吸收转运Cd过程中的各项评价指标进行监测和检测。本研究对揭示调控Cd吸收转运的机制，减少Cd积累及培育低污染高品质的优质黄连具有重要意义，对提高中药安全性具有重要科学价值。同时，以黄连为突破口，科学认知中药重金属问题，为今后制定科学合理的中药重金属限量标准提供理论依据。

黄连是我国大宗药材之一，重金属镉（Cd）含量超标问题突出，但Cd吸收转运的机制尚不明确。研究药用植物中重金属Cd元素的吸收、转运、积累和解毒机制非常必要。为了进一步阐明黄连对Cd的时空动态吸收转运机制，本研究调查了黄连中重金属Cd的含量及其富集及转移情况，研究了游离氨基酸在黄连重金属Cd积累方面的作用，探索了重金属Cd胁迫对黄连中次生代谢产物生物碱积累的影响，利用代谢组与转录组学分析探索黄连中参与重金属Cd积累、转运的关键代谢通路及关键基因，采用非损伤微测技术（Non-invasive Micro-test Technology, NMT）对黄连吸收转运Cd的动态过程及相关抑制剂添加对黄连根Cd2+净流量进行监测和检测，明确黄连对Cd的时空动态吸收转运机制及Ca离子通道在黄连吸收转运Cd过程中的作用。研究结果表明，BCF＞1，黄连对Cd有一定的富集作用，且TF远远小于1，大部分Cd主要分布在黄连根部，表明根系是Cd转运的有效屏障。重金属胁迫下植物各组织中游离氨基酸Val、His、Thr、Tyr、Ser水平与Cd水平呈显著正相关，Glu、Ala和Pro水平与所有植物组织中Cd的积累呈显著负相关，表明这些氨基酸在黄连中Cd吸收积累解毒的过程中发挥了一定的作用。通过对不同浓度Cd胁迫短期（24 h）与长期（10 d）黄连的代谢组学与转录组学研究，发现黄连根可能是通过调节氨基酸代谢、植物代谢、淀粉和蔗糖代谢等代谢途径，及植物次生代谢产物、苯丙素等生物合成途径，达到抗重金属Cd胁迫的作用；黄连根茎可能是通过调节类黄酮、赖氨酸、次生代谢产物、苯丙素等生物合成途径，及花生四烯酸、植物代谢、淀粉和蔗糖代谢等代谢途径及戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化过程，达到抗重金属Cd胁迫的作用；黄连叶可能是通过调节光合作用过程，次生代谢产物、苯丙素、角质和苏木精生物合成途径，及甘油酯、淀粉和蔗糖、苯丙氨酸、谷胱甘肽、植物代谢等代谢途径与植物激素信号转导过程，达到抗重金属Cd胁迫的作用。通过以上研究，明确黄连对Cd的吸收规律及转运机制，找到黄连吸收转运Cd的关键因素和环节，对今后调控黄连中Cd的吸收转运，降低Cd含量，培育高品质低污染的优质黄连具有重要意义。