综合分析代谢组与转录水平探究镉超积累植物东南景天体内硫同化途径的调节机制

Mechanisms of metal metabolism in plants are of great interest because of their potential use in phytoremediation, phytomining, food safety as well as biofortification. Sulfur assimilation and production of sulfur-containing compounds play critical roles in trace metal metabolism and homeostasis in plants. Our project will contribute to understanding of functional genomics of Cadmium Hyperaccumulation in plants in following ways: Global metabolite profiling will perform using four independent approaches: ultra performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), optimized for basic species; LC-MS/MS, optimized for acidic species, gas chromatography/mass spectrometry (GC-MS/M) for all volatile compound; and H1-NMR fingerprinting to understand the regulatory mechanism of sulfur assimilation pathway in Cadmium Hyperaccumulation by Sedum alfredii Hance. Further, we will study the differentially expressed metabolites related of genes involved in sulfur assimilation pathway in Cadmium Hyperaccumulation, which are important for understanding metal metabolism in general.

锌/镉超积累生态型东南景天（Sedum alfredii H.）是具有良好应用前景的植物修复材料，研究其体内的金属代谢机制、硫同化作用与含硫化合物的产生有助于揭示其镉超积累的分子机制，对植物修复、植物矿化、食品安全以及生物强化等方面都具有重要的作用。本项目以锌/镉超积累植物和非超积累植物东南景天为研究材料，拟采用四个独立的方法分析总体代谢产物，分别是超高效液相色谱/串联质谱分析（LC-MS/MS）来优选碱性种类；超高效液相色谱/串联质谱分析（LC-MS/MS）来优选酸性种类；气相色谱/质谱分析（GC-MS/M）检测所有挥发性化合物；H1-NMR指纹鉴定探明镉超积累植物东南景天体内硫同化途径的调节机制。此外，本项目将利用荧光定量PCR等技术研究镉超积累过程与硫同化途径相关的基因表达水平。本项目以期通过代谢组及基因表达水平研究进一步揭示硫代谢在东南景天镉超积累过程中的作用。

重金属超积累植物可应用于污染土壤植物修复，探明重金属超积累植物的金属代谢机制有利于生物强化与食品安全，因此，超积累植物的研究引起广泛关注。景天科植物东南景天是镉锌超积累植物。本项目全面系统地研究了两种生态型东南景天（超积累生态型HE与非超积累生态型NHE）的镉超积累机制，以及其应对镉处理下的代谢网络和代谢物水平的改变。超积累型东南景天HE生物量大、生长速度快，地上部能积累大量的镉而不产生毒害症状。本课题组使用全球领先的高通量代谢组与离子组平台，测定了50 µM镉处理下两种生态型东南景天的叶子以及根部组织的代谢物。根据PCA结果分析，HE与NHE的叶子与根部的代谢物组成有明显差异，主成份分别为98.1%和97.2%。火山图展示了HE与NHE有许多差异代谢物，VIP分析展示前15种差异最大的代谢物均在HE的叶片中显著增高，但在NHE叶片中显著下降。相比NHE，HE中含量显著提高的代谢物主要涉及能量产生、TCA循环。有趣的是，与抗氧化相关谷胱甘肽代谢过程中的γ-glutamyl氨基酸在HE中也显著提高。并且，相比NHE，HE积累更多的镉（几乎80倍）、钾、镁、锌、硼、锰、钼和铅。而NHE却积累更多的磷、钙、铜、镍和钠。镉与涉及糖酵解，如柠檬酸和三羧酸循环的代谢物有显著的正相关，表明代谢物与元素含量的差异与重分配在超积累型东南景天镉超积累及超耐性过程中起到重要作用。总的来说，本项目阐明了东南景天的镉超积累机制，对植物修复、粮食安全以及可持续发展农业和生态健康具有重要意义。