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不同氮素形态对小麦镉吸收和积累调控相关研究取得进展

时间: 2020-06-30 点击次数:


小麦是世界上超过一半人口的主食,其吸收和积累镉的能力较强,因而对人体健康造成潜在威胁。目前,氮肥调节镉吸收和转运是经济、省时和高效的手段之一,被广泛应用于缓解作物镉积累。然而,不同氮素形态调节小麦镉吸收、转运和积累的生理和分子响应未知。

项目组以具有高千粒重、高营养价值和高镉耐受型矮秆波兰小麦作为研究材料,在不同氮素形态条件(缺氮、铵态氮、硝态氮、铵态氮和硝态氮)下,对矮秆波兰小麦的形态生理指标、镉的吸收、转运和分布、糖分组成以及根部转录组进行了分析。研究结果表明不同氮素形态下小麦镉积累的差异与植株生物量、根系形态以及光合作用无关,而受镉的亚细胞分布、镉的化学形态以及调控金属转运蛋白的相关基因的表达影响。在氮缺失或硝态氮背景条件下,添加铵态氮不同形式地改变了矮秆波兰小麦镉的吸收和积累。与氮缺失相比较,在铵态氮背景条件下添加硝态氮对镉的吸收和积累的促进作用进一步加强。进一步研究表明不同氮素形态通过调控金属转运蛋白相关基因的表达和细胞壁乳糖含量来改变细胞壁、细胞器和细胞液组分中镉的分配以及镉的化学形态,从而影响根或叶片中镉的容纳能力,进而从生理和分子途径调节镉的吸收、转运和积累(图1)。该研究为合理利用氮肥管理措施降低小麦镉积累奠定了基础。课题组前期对NRAMP金属转运蛋白家族部分成员的转运属性进行了研究,后续将进一步验证受氮素形态调控的其余金属转运蛋白的生物学功能。

研究结果发表于《Journal of Hazardous Materials》(2020, 400: 123209;IF=9.038) (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123209)。四川农业大学小麦研究所的博士研究生程怡然为论文第一作者,周永红教授和王益教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金资助。

图1:氮素形态对矮秆波兰小麦苗期镉吸收和积累的调控网络

参考文献:

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Cheng Y, Wang C, Chai S, Shuai W, Sha L, Zhang H, Kang H, Fan X, Zeng J, Zhou Y, Wang Y. 2018. Ammonium N influences the uptakes, translocations, subcellular distributions and chemical forms of Cd and Zn to mediate the Cd/Zn interactions in dwarf Polish wheat (Triticum polonicumL.) seedlings. Chemosphere, 193: 1164-1171.

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Peng F, Wang C, Zhu J, Zeng J, Kang H, Fan X, Sha L, Zhang H, Zhou Y, Wang Y. 2018. Expression of TpNRAMP5, a metal transporter from Polish wheat (Triticum polonicumL.), enhances the accumulation of Cd, Co and Mn in transgenic Arabidopsis plants. Planta, 247: 1395-1406.

Wang C, Chen X, Yao Q, Long D, Fan X, Kang H, Zeng J, Lina S, Zhang H, Zhou Y, Wang Y. 2019. Overexpression of TtNRAMP6 enhances the accumulation of Cd in Arabidopsis. Gene, 696: 225-232.

 

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