锌铁转运蛋白SmZIP8提高镉转运能力及抗性的机制研究

The rapid development of industrial and agricultural production has led to heavy metal pollution, especially cadmium (Cd) pollution. Metal transporters play a key role in the absorption, xylem loading, and vacuole retention of Cd, and Cd does not have a specific transporter. It was reported that zinc-iron transporter (ZIP) can transport not only Zn and Fe, but also harmful heavy metal elements such as Cd, Pb, Ni, and the expression of ZIP was up-regulated under Cd stress. After overexpression of SmZIP8 gene in tobacco in our study, SmZIP8 enhanced the resistance to Cd stress and the transport ratio of Cd to the aboveground part of tobacco. However, The physiological, cellular and molecular mechanisms of SmZIP8 involved in Cd stress resistance and Cd absorption, accumulation and transport are still unclear. In this study, SmZIP8 transgenic tobacco will be used as a material to study the absorption and storage sites of Cd in SmZIP8 transgenic tobacco under Cd stress. The content changes of reactive oxygen species and antioxidant enzymes, plasma membrane permeability, cellular activities and signal response mechanisms will be investigated in order to reveal the function and mechanism of SmZIP8 in increasing Cd absorption, transport and resistance, which will provide a theoretical basis for improving the capability of willow by biotechnology to be used in the phytoremediation of the heavy metal Cd polluted environment.

工农业生产的飞速发展导致了重金属严重污染，其中镉（Cd）污染尤为突出。金属转运蛋白在Cd的吸收、木质部负载和液泡固存中起着关键作用，Cd不具专一的转运蛋白。研究报道锌铁转运蛋白（ZIP）不仅能转运Zn和Fe，还能转运Cd、Pb、Ni等有害重金属元素，且受到Cd胁迫时ZIP表达量出现上调。前期工作中将旱柳SmZIP8基因在烟草中过表达后，初步发现SmZIP8增强了烟草Cd胁迫抗性及Cd向地上部分的转运率，然而SmZIP8与Cd胁迫抗性和Cd吸收、积累和转运中的生理、细胞及分子机制尚不明确。本研究拟以SmZIP8转基因烟草为材料，研究Cd胁迫下SmZIP8转基因烟草Cd的吸收部位和储藏位点；活性氧、抗氧化酶的含量变化、质膜透性变化、细胞活性及信号应答机制等，以期揭示SmZIP8在增加Cd吸收转运及抗性中的功能及机制，从而为利用生物技术改良柳树用于重金属Cd污染环境的植物修复实践提供理论基础。

本项目以野生型（wild type，WT）和SmZIP8转基因烟草为研究对象，分别设置了0、10、100 μmol/L Cd三个处理组合，利用一系列现代生物学技术研究和分析了SmZIP8转基因和WT烟草在Cd胁迫下的抗性反应特征，解析该基因参与Cd吸收、转运及抗性过程中的功能。研究结果表明：1. SmZIP8转基因烟草各器官中Cd含量均显著高于WT烟草（P < 0.05），且转基因烟草对Cd的吸收率（AF）、转运率（TF）和生物富集系数（BCF）也显著高于WT烟草。除此之外，SmZIP8转基因烟草根、茎和叶中的锌（Zn）、铁（Fe）、铜（Cu）和锰（Mn）含量高于WT烟草。2. 在烟草根尖中Cd在分生组织区积累最多。Cd在根尖成熟区被吸收，穿过内皮层，并通过维管柱向地上部分转移。Cd通过维管组织运输到叶片，在叶表皮中积累较多，在叶肉细胞中积累较少。通过对比WT和转基因烟草的EDXA分析结果发现，转基因烟草各部分组织积累的Cd含量均显著高于WT烟草（P < 0.05）。3. SmZIP8的异位表达导致了Cd在转基因烟草亚细胞水平上的重新分布，也调整了Cd在转基因烟草体内存在的化学形态。4. SmZIP8异位表达提高了转基因烟草对Cd胁迫的生理学抗性，促进了Cd胁迫下转基因烟草的生长及抗氧化酶活性的提高，同时减轻了Cd胁迫对转基因烟草光合抑制的现象。5. 在相同浓度Cd胁迫下，与WT相比，SmZIP8转基因烟草根中死亡细胞较少，有丝分裂指数（MI）较高，根尖分生组织细胞染色体畸变率降低，因此，SmZIP8异位表达提高了转基因烟草对Cd胁迫的细胞学抗性。6. 植物受到Cd胁迫时会产生一氧化氮（NO）作为信号物质进而引起一系列的生理生化响应。外源NO喷施能通过减少Cd吸收、调节抗氧化酶活性及根际土壤微生物多样性等来缓解Cd胁迫产生的毒性，从而促进植物生长及生物量的产生。7. 环境因子（土壤酶活性、Cd胁迫、外源NO喷施）是影响土壤细菌群落的最主要的因素，植物基因型也对细菌群落结构也有一定的影响。因此，SmZIP8在烟草中的异位表达在促进转基因烟草对Cd的吸收、积累、转运、分布以及提高其对Cd的抗性方面发挥了重要作用，该研究成果将为今后SmZIP8转基因植物用于植物修复实践提供科学依据。