嫁接诱导茄类作物镉富集性状的改变及遗传机制研究

Farmland soil pollution has been a serious threat to food safety in China. It is both difficulty and keystone need to solve that to develop a technology on safey utilization of soil heavy metal pollution in agricultural and environmental field. Some data showed that Cd accumulation in shoots can be reduced by a fine agricultural production technology, grafting. Therefore, using wild-type eggplant (Solanum torvum) as rootstock, this work aimed to: (ⅰ) study the change of Cd accumulation in shoots of cultivars eggplant (Solanum melongena), tomato (Solanum lycopersicum L.) and pepper (Solanum capsicum annuum L.), and analyze the relation between sulfur-containing compounds, gene expression of enzyme involved in sulfur metabolism and Cd accumulation to find the key regulatory factor in Cd accumulation; (ⅱ) analyze variation of genome-wide methylation levels and patterns in grafted parental and filial generation to explore epigenetic effects and transformation of Cd accumulation induced by grafting and its genetic stability. The research will provide theoretical and technical support for using grafting technique in farm product security in polluted soil.

重金属污染已经严重威胁到国家的食品安全，行之有效的重金属污染土壤安全利用技术，是我国农业和环保领域迫切需要突破的难点和重点。研究发现，嫁接作为一种成熟且成本低廉的农业生产技术，可以显著减少重金属在作物地上部分的积累。本项目拟以Cd低积累的野生茄为砧木，以普通茄果类作物茄、番茄和辣椒为接穗植物，研究同一砧木对不同接穗作物Cd富集性状的改变的差异；通过嫁接植株体中含硫化合物的分析，相关酶基因的表达与Cd累积量的关系分析，明确主导Cd在作物地上部分累积的关键因子；采用DNA甲基化分析技术研究亲本和F1代植株DNA甲基化水平和模式的变化，阐明嫁接诱导作物Cd富集性状改变的遗传学机制，并验证改性状的遗传稳定性。其研究结果有望发展成为成本低廉的重金属污染农田土壤的安全利用技术，理论和实用意义兼具。

嫁接是一种特殊类型的植物繁殖方式，成本低，对环境和人类都很友好，可以有效阻断土壤重金属镉向作物可食器官的转运和累积，缓解我国大面积重金属污染土壤的农业安全利用限制。然而，嫁接降低镉在作物地上部积累过程以及遗传机制并不清楚。因此，本研究以茄(Solanum melongena) 和野生茄(Solanum Torvum)托鲁巴姆为实验材，研究嫁接对接穗植株重金属Cd富集性状的影响，分析接穗植株基因组甲基化对嫁接蒙导的响应。主要研究结果如下：供试植株分别种植于对照土壤和含3.0 mg·kg-1 Cd的土壤中，以托鲁巴姆为砧木的嫁接茄植株地上部（叶片和果实）镉含量明显低于自根茄的镉含量。在自根茄子和嫁接茄子中，总硫含量和Cd含量有相似的变化规律和分布特征。与自根植株相比，嫁接茄甲基化水平明显降低。利用WGBS技术通过构建三种DNA文库，分析茄基因组甲基化模式及位点等表观遗传信息，嫁接茄叶片中CG、CHG和CHH的C位点甲基化比例分别为25.03%、31.74%和43.23%，而未嫁接茄叶片中C位点甲基化比例分别为23.02%、17.46%和59.52%。在基因组不同功能元件中，三者都是CG类型的甲基化为主要类型，其次是CHG甲基化，CHH类型甲基化的水平最低。通过qRT-PCR实验得到S代谢相关基因的表达量，与自根植株相比，Cd污染土壤中，以托鲁巴姆为砧木的嫁接茄叶片中的S-alkyl-thiohydroximatelyase (STR)、蛋氨酸gamma-lyase(MGL)、胱硫醚伽马合成酶(CGS)、SULTR21、DCYD和SUR基因表达分别增加了20.5%、21.9%、53.1%、150%、29.7%和65.1%；而SULTR13、L-半胱氨酸脱硫酶(LCYD)和HMT基因的表达分别降低了14.9%、13.8%和59.9%。这些结果表明，嫁接能够通过调控S代谢相关基因的甲基化和表达来影响S化合物的合成，从而减少嫁接茄子地上部分Cd的积累。综上，本研究通过DNA甲基化分析发现，嫁接植株接穗中Cd积累减少的表观遗传学基础，并且该机制也解释了嫁接植株及后代接穗中Cd和总硫含量之间的正相关性。