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南方粮油作物协同创新中心PI张振华课题组在国际顶尖期刊Journal of Experimental Botany发文揭示粮油作物重金属镉定向分配和修复的生理分子机制

时间:2019/06/25 08:37:00  来源:   作者:张振华   点击:

南方稻油轮作区为粮油作物生产提供了得天独厚的气候、土壤条件,但是该区域稻田土壤镉含量超标的问题不容忽视。对于湖南地区粮油作物来说,如何培育出可食用部位Cd低积累(或不积累),而其他生物量(比如秸秆)Cd 适度积累的修复型作物将是解决这一问题比较理想的策略。要实现这一目标,有两个至关重要的理论瓶颈需要取得突破:1)植物体内重金属Cd的定向分配机理。2)植物对重金属Cd耐受机理。

    近日(624日)南方粮油作物协同创新中心张振华老师课题组在国际顶尖期刊Journal of Experimental Botany 5年影响因子6.3)发文“Multiomics landscapes uncover the pivotal role of subcellular reallocation of cadmium in regulating rapeseed resistance to cadmium toxicity  https://doi.org/10.1093/jxb/erz295阐明油菜地上部液泡镉区隔能力强,以及地下部细胞壁镉阻隔能力强是油菜有更高镉抗性的根本原因:本课题利用196份油菜核心品系,从中筛选出镉毒抗性品种Z11和镉毒敏感品种W10,二者在镉毒胁迫下具有显著的表型差异。Z11W10植株器官水平镉浓度并无显著差异;然而,Z11地上部液泡和根部细胞壁镉浓度显著高于W10,这说明镉的液泡区室化分隔和细胞壁固定可能是二者镉毒抗性差异的主要生理原因。通过比较转录组测序分别鉴定到91个镉的液泡转运蛋白BnaABCs基因、154个果胶甲酯酶基因BnaPMEsZ11W10中存在差异表达。UHPLC-MS通过对Z11W10的代谢指纹图谱进行鉴定,发现二者在地上部含硫化合物(包括谷胱甘肽等)和根部细胞壁多糖(主要是果胶)存在显著的代谢丰度差异。外源添加谷胱甘肽可减小Z11W10的镉毒抗性差异;利用傅里叶变换红外光谱仪鉴定出Z11细胞壁/果胶具有较低的甲基酯化度,具有较强的细胞壁固定镉能力。

    该文章第一作者为湖南农业大学张振华教授,通讯作者为郑州大学华营鹏博士。

1 油菜镉抗性机理

   

    值得一提的是,5月份南方粮油作物协同创新中心张振华课题组在国际顶尖期刊Plant Cell and Environment发文https://doi.org/10.1111/pce.13592(影响因子5.4) “The Arabidopsis defensin gene AtPDF2.5 mediates cadmium tolerance and accumulation ,揭示防御素基因AtPDF2.5调控重金属镉定向分配和耐受的分子生物学机制。该文章第一作者为湖南农业大学罗劲松博士,通讯作者为张振华教授。

                                

2 油菜氮镉互作机制

综上所述,通过正反遗传学的方法,研究粮油作物Cd的分配转运机理,找到特异调控Cd定向分配和耐受的关键基因,培育粮油作物秸秆等作为介质的修复型作物,是解决重金属污染的有效策略。南方粮油作物协同创新中心张振华老师课题组已经探索出实现水稻镉定向分配和油菜镉超积累修复的分子生物学机制为培育籽粒低镉积累水稻品种和修复油菜品种提供理论支撑。

 

2019年课题组部分相关成果

(1) Zhen-hua Zhang, Ting Zhou, Tian-jiao Tang, Hai-xing Song, Chun-yun Guan, Jin-yong Huang, and Ying-peng Hua*. Multiomics landscapes uncover the pivotal role of subcellular reallocation of cadmium in regulating rapeseed resistance to cadmium toxicity. Journal of Experimental Botany, 2019, https://doi.org/10.1093/jxb/erz295.

(2) Jin-Song Luo, Yong Yang, Tianyu Gu, Zhimin Wu, Zhenhua Zhang*. The Arabidopsis defensin gene AtPDF2.5 mediates cadmium tolerance and  accumulation.  Plant Cell and Environment, 2019,  https://doi.org/10.1111/pce.13592.

(3) Jingsong Luo, Zhenhua Zhang*. Proteomic changes in the xylem sap of Brassica napus under cadmium stress and functional validation, BMC Plant Biology, 2019, DOI: 10.1186/s12870-019-1895-7.

(4) Qiong Liao, Shao-Fen Jian, Hai-Xing Song, Chun-Yun Guan, Joe Eugene Lepo, Abdelbagi M. Ismail, Zhang ZH*. Balance between nitrogen use efficiency and cadmium tolerance in Brassica napus and Arabidopsis thaliana. Plant Science, 2019, 284: 57-66.

(5) Sheng Lu, Haixing Song, Chunyun Guan, Joe Eugene Lepo, Zhimin Wu, Xinhua He, Zhenhua Zhang*. Long-term rice-rice-rape rotation optimizes 1,2-benzenediol concentration in rhizosphere soil and improves nitrogen-use efficiency and rice growth. Plant and Soil, 2019, DOI: 10.1007/s11104-019-04177-9.

(6) Jian SF, Liao Q, Liu Q, Luo JS, Guan CY, Zhang ZH*. NRT1.1 Regulates Nitrate Allocation and Cadmium Tolerance in Arabidopsis. Frontiers in Plant Science, 2019, 10:384.

(7) JinSong Luo, Tianyu Gu, Yong Yang, Zhang ZH*. A nonsecreted plant defensin AtPDF2.6 conferred cadmium tolerance via its chelation in Arabidopsis. Plant Molecular Biology, 2019, DOI 10.1007/s11103-019-00878-y.

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