茉莉酸甲酯缓解番茄镉胁迫的作用机制研究

Methyl jasmonate (MeJA), an important methyl ester derivative of jasmonic acid, is a naturally occurring plant hormone which affects many physiological, morphological and biochemical processes during plant growth. A considerable evidences indicate that MeJA is involved in defense-related responses to various biological and abiotic stress. Recent studies demonstrated that MeJA could alleviate heavy metal toxicity in plants, however, the underlying mechanism of MeJA in heavy metal resistant is still not clear. In this study, we will take the model plant tomato (Solanum lycopersicum L.) as materials and investigate the effects of MeJA on plant growth, Cd accumulation, biochemical and physiological parameters as well as heavy metal resistant of tomato plants under cadmium (Cd) stress. Besides, the content of heavy metal resistant related secondary metabolism substances, mainly small antioxidant compounds and small organic acid will be determined. Furthermore, high-throughput transcriptome sequencing technology and qRT-PCR will be employed to investigate the influence of MeJA on heavy metal resistant genes expression, such as genes involved in systemic acquired resistance, heavy metal adsorption and transportation as well as secondary metabolites synthesis. Taken together, these results will help to reveal the mechanism of MeJA in heavy metal resistance in tomato plants, and it will provide theoretical basis and practice guidance for using MeJA to relieve the heavy metal stress in plants.

茉莉酸甲酯（methyl jasmonate, MeJA）是茉莉酸羧基甲酯化的产物，在植物生长发育过程中显示出类似激素的作用并与植物抗逆性密切相关，普遍参与植物的生物与非生物胁迫。近期研究表明，外源MeJA可有效的提高植物重金属抗性，但MeJA缓解植物重金属胁迫的作用机理的尚不明确。本研究将以模式植物番茄为材料，检测外源MeJA对Cd胁迫下番茄幼苗生长、生理生化、Cd累积和抗氧化系统酶活性等一系列生理生化和抗逆指标的影响，在此基础上，测定MeJA对番茄重金属抗性相关次生代谢产物，主要是小分子抗氧化物质及根系分泌有机酸含量的影响，进而利用高通量转录组测序技术，发掘MeJA在番茄抗Cd生理生化过程中对重金属吸收转运、植物系统抗性以及抗逆性次生代谢产物合成相关基因表达的影响，阐明MeJA对番茄Cd毒害的缓释效应及产生这种影响的作用机制，为利用MeJA缓解番茄重金属胁迫提供理论依据和实践指导。

镉（Cadmium，Cd）是土壤中最常见的重金属污染物之一，目前，Cd污染已成为了影响生态环境、耕地质量、粮食安全、人体健康和社会发展的重要限制因素。作物Cd抗性及Cd累积调控一直是土壤、生物和环境等交叉学科研究热点之一。茉莉酸甲酯（methyl jasmonate, MeJA）是植物体内一种重要的信号物质，与植物抗逆性密切相关，外源MeJA可有效缓解植物重金属胁迫，但其作用机制的尚不明确。本研究以模式植物番茄为研究对象，分别从组织、细胞与基因表达等水平深入研究了信号物质MeJA 诱导番茄Cd抗性，启动Cd 胁迫生理响应，调控Cd累积的作用机制，研究结果表明：.外源喷施不同浓度的MeJA可缓解Cd胁迫引起的番茄生长抑制，提高Cd胁迫下番茄幼苗的根长、株高、鲜重、干重以及光合色素含量。同时，MeJA可提高抗氧化系统酶 (SOD, POD, CAT) 活性以及提高重金属抗性相关代谢产物（Pro, ASA, GSH, 草酸等）的含量，从而有效降低番茄体内活性氧类物质水平，缓解Cd 胁迫引起的膜脂过氧化，降低Cd对植物的氧化胁迫。此外，外源喷施MeJA也通过调控番茄内源激素（MeJA，JA，ET）含量缓解番茄幼苗的Cd毒害作用。MeJA对番茄Cd胁迫的缓解具有一定的剂量依赖性，其浓度为2.5 μmol L-1时效果最佳。.非损伤微测（NMT）研究显示，MeJA可以显著降低Cd离子内流进入番茄根系的流速，从源头上减少番茄根系Cd吸收，从而降低了番茄不同组织中的Cd累积，并降低Cd从地下部到地上部的转运。亚细胞分布显示MeJA能通过增强细胞壁对Cd的富集能力来阻止Cd穿过细胞壁进入细胞质和细胞器，减少对细胞器的损伤。此外，对已吸收的Cd，MeJA能通过增强NaCl提取态等毒性较小的Cd的分布比例，降低乙醇提取态和去离子水提取态等毒性较大的Cd形态的分布比例来缓解Cd对番茄幼苗的毒性。.高通量转录组学（RNA-Seq）和qRT-PCR研究发现MeJA能调控信号转导和一些代谢过程来缓解番茄幼苗的Cd胁迫，同时，能够调控氧化胁迫、番茄系统抗性及重金属吸收转运及相关基因表达，从基因表达水平缓解Cd对番茄的毒害效应。