用户文章 湖南农大张振华课题组文章登国际顶尖期刊 Science of the Total Environment

Boron alleviates cadmium toxicity in Brassica napus by promoting the chelation of cadmium onto the root cell wall components

期刊：Science of the Total Environment

影响因子：5.589

发表时间：2020年

发表单位：湖南农业大学

技术手段：转录组+代谢组

研究背景

镉（Cd）是一种有毒且污染的重金属，它来自工业废物，污水和农业径流，农田中的Cd污染越来越普遍。镉的高积累会严重影响植物的生长发育，作物的产量和质量，并直接或间接地来危害人类健康。

硼（B）是高等植物必需的微量营养素，它已经广泛报道在细胞壁成分的合成和交联中起着至关重要的作用。在中国南部，甘蓝型油菜镉（Cd）含量高，有效硼（B）含量低。油菜具有较大的生物量和较强的重金属吸收能力，并且镉转移到菜籽油中的比例极低，不影响其品质安全，所以油菜在土壤镉污染修复方面具有较高的应用潜力。硼对于维持正常的细胞壁结构和功能有非常重要的作用，细胞壁又是植物应对镉毒害重要的细胞组分，故推测硼对细胞壁结构和各物质组分的影响必然参与细胞壁对镉的阻隔和吸附固定，进而提高油菜的镉毒耐受性，发挥土壤镉污染生物修复潜力。

近日，湖南农业大学张振华老师团队在中科院一区国际顶尖期刊Science of the Total Environment （5年影响因子5.73）发文 “Boron alleviates cadmium toxicity in Brassica napus by promoting the chelation of cadmium onto the root cell wall components” 。通过转录组和代谢组研究，阐明了硼对油菜根系细胞壁果胶固定镉能力的提高是促进油菜耐受镉毒的根本原因。

研究方法

不同B和Cd处理的油菜幼苗，测定叶片光合色素含量，根系活力，细胞活力，丙二醛（MDA）和活性氧含量，抗氧化酶活性，对硼和金属元素浓度进行定量，亚细胞成分的分离和镉亚细胞分布分析等。同时对根部进行转录组测序（由LC-BIO提供测序和数据分析服务），和代谢组鉴定分析。

研究结果和结论

研究发现，对油菜根的转录组测序检测，–B + Cd和+ B + Cd处理之间与细胞壁相关的120 个DEGs（差异表达基因），其中70 个DEGs与果胶的生物合成，降解和去甲基化有关。硼的施用不仅增加了果胶的含量，还提高了螯合Cd的能力。同时用LC-MS / MS鉴定了果胶生物合成中涉及的不同代谢物（下图）。                    

研究还发现，在有或没有B处理的情况下，对Cd胁迫下的处理进行的比较确定了14种与多聚半乳糖醛酸酶有关的DEGs，而3/11受B分别上调/下调（图H）。果胶裂解酶涉及20个DEGs，B分别上调7/13个（图G）。β半乳糖苷酶和10个DEGs分别受B上调/下调（图I）。这些结果表明，在镉有毒的环境中施用B通常可以抑制果胶降解。转录组数据证实B促进了B毒性根中PME家族的基因表达（图J），并抑制了PME抑制剂蛋白中涉及的基因的表达（图K）。在PME的7个DEGs中，有B的根比没有B的根中有更高的比例（85.6％）表现出更高的转录丰度，并且与Cd毒性根中的PME抑制剂蛋白有关的17个DEGs中有14个被下调。这些基因对B的反应与果胶的去甲基化有关，并为细胞壁中的Cd提供了更多的结合位点，从而增强了油菜根中Cd的抗性。

最后通过对形态学，生理学，代谢组学和转录组数据的综合分析以及示意图模型逐步验证了假设，结果如下图，在Cd毒性下，B的施用促进了果胶生物合成并抑制了油菜籽根细胞壁中果胶的降解，并提高了PME的活性以提供细胞壁中更多的Cd结合位点。果胶和弹性蛋白的增加以及细胞壁中纤维素和半纤维素的减少也有助于减轻镉对细胞的损害。

总之，这项研究的结果表明B可以减轻Cd的毒性促进镉螯合到甘蓝型油菜根细胞壁上。研究结果还确定了B如何调节油菜细胞壁Cd毒性的生理和分子机制。因此，在农业生产中，可以同时施用B肥料来增强油菜籽对Cd的抗药性，为减轻作物对镉的毒性和耐镉品种的开发提供了理论依据。

该团队同时在中科院一区国际顶尖期刊Environmental Pollution （5年影响因子6.15）发表的姊妹篇 “Boron mitigates cadmium toxicity to rapeseed (Brassica napus) shoots by relieving oxidative stress and enhancing cadmium chelation onto cell walls”  揭示了硼对油菜地上部细胞壁离子结合态果胶含量和去甲基酯化度的提高是促进油菜地上部细胞壁固定镉，进而促进油菜镉毒下生长潜力的根本原因。

综上所述，通过对镉胁迫下施硼对油菜生理基础、代谢途径和转录水平的研究，明确了硼对油菜细胞壁果胶结合镉能力的提高是促进油菜耐受镉毒、保持生长潜力的重要原因。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138833

https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114546

该文章由联川项目经理唐长生解读

唐长生，负责湖南地区业务，自2016年入职以来，已经服务400多位客户，累计顺利完成700多个项目。多年勤勤恳恳，厚积薄发，2019年个人销售业绩破千万。

他想说的：

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最后感谢所有老师的信任，没有你们长久的支持，我不会完成现在的成绩，衷心感谢！

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