JHM厦大郑海雷组：NMT发现龙葵根在铵态氮处理下排Cd²⁺排H⁺更强 为证明铵态氮比硝酸盐具有更强的Cd解毒能力提供证据

---

 

 

 

 

 

基本信息

主题：NMT发现龙葵根在铵态氮处理下排Cd²⁺排H⁺更强 为证明铵态氮比硝酸盐具有更强的Cd解毒能力提供证据

期刊：Journal of Hazardous Materials

影响因子：10.588

研究使用平台：NMT重金属研究创新平台

标题：Ammonium has stronger Cd detoxification ability than nitrate by reducing Cd influx and increasing Cd fixation in Solanum nigrum L.

作者：厦门大学郑海雷、张露丹

 

检测离子/分子指标

Cd²⁺、H⁺

 

检测样品

龙葵根（根冠、分生区、伸长区、成熟区、根毛区）、根原生质体

 

中文摘要

      镉（Cd）是影响植物生长发育的有害重金属。氮（N）是植物必需的营养元素，适当的N管理可以提高Cd的耐性。本文研究的目的是探索不同形式的氮素对超积累植物龙葵（Solanum nigrum）对Cd毒性的分子和生理响应的影响。本研究采用非损伤微测技术（NMT）、Cd荧光染色、生化方法和实时荧光定量PCR技术，测定了生物量、光合参数和Cd²⁺流速进行了测定。结果表明，铵态氮（NH₄⁺）比硝态氮（NO₃^-）具有更强的Cd解毒能力，这可能与以下三个原因有关：（1）NH₄⁺通过调控Cd转运相关基因的转录，减少Cd²⁺的内流和积累；（2）NH₄⁺的改善作用伴随着Cd在根细胞壁中的保留增加；（3）NH₄⁺上调了SnExp的表达。

 

离子/分子流实验处理方法

2 mM KNO₃或1 mM (NH4)₂SO₄+1 mM K₂SO₄培养14 d后

①25 μM CdCl₂处理幼苗30 min、24 h、5 d

②50 μM CdCl₂实时处理幼苗或者预处理40 min

 

离子/分子流实验结果

      为了探究NH₄⁺缓解龙葵Cd胁迫的机制，研究用NMT检测了根和根原生质体中的Cd²⁺净流速（图1）。结果表明，Cd²⁺内流在距离根尖大于2 mm的位置相对稳定，范围为5-10 pmol cm⁻²s⁻¹。Cd²⁺的内流集中在分生区，其次是伸长区和成熟区；此外，在根毛中Cd²⁺流速较弱，而在根冠没有发现Cd²⁺流。NH₄⁺处理的根部分生区Cd²⁺内流速率显著低于NO₃^-处理；在伸长区，NH₄⁺和NO₃^-处理之间的Cd²⁺内流无显著差异。在Cd处理24 h和5 d后，NH₄⁺处理后的根伸长区Cd²⁺内流速率显著低于NO₃^-处理。为了评估细胞壁对Cd²⁺流速的影响，作者从根中提取了原生质体。结果表明，NH₄⁺处理的原生质体Cd²⁺内流速率比硝酸盐处理弱。此外，用50 μM CdCl₂瞬时添加或40 min预处理，均可观察到NH₄⁺处理的植株根部分生区较低的Cd²⁺内流（图2）。这些结果表明，NH₄⁺减少了根分生区和伸长区Cd²⁺净内流速率。

 

图1. 不同形式氮条件下，25 μM CdCl₂处理对龙葵根部和根部原生质体Cd²⁺净流速的影响。正值代表离子外排，负值表示离子吸收。

 

图2. 不同形式氮条件下，50 μM CdCl₂处理对龙葵根部H⁺净流速的影响。正值代表离子外排，负值表示离子吸收。

 

      为了进一步探究了Cd处理对龙葵根系中H⁺流速的影响，研究用NMT检测了了根和根原生质体中的H⁺净流速（图3）。结果表明，在距根尖1 mm处，NH4⁺处理H⁺内流显著低于NO₃^-处理。净H⁺内流在分生区和伸长区最高，这与Cd²⁺流量的模式相似。成熟区H⁺内流较弱，而在根毛或根冠未检测到H⁺内流。此外，25 μM CdCl₂显著抑制了H⁺内流。NH4⁺对根部H⁺的抑制作用显著高于NO₃^-处理。NH₄⁺处理中原生质体中的H⁺内流速率弱于NO₃^-处理。这些结果表明，NH₄⁺减少了龙葵根分生区和伸长区的净H⁺内流。

图1. 不同形式氮条件下，25 μM CdCl₂处理对龙葵根部和根部原生质体H⁺净流速的影响。正值代表离子外排，负值表示离子吸收。

 

其他实验结果

• 在Cd胁迫下植物在NH₄⁺营养比NO₃^-营养更好地保持生长和光合性能。NO₃^-处理的地上部分干重显著高于NH₄⁺处理，而两种不同形态氮处理的根干重无显著差异；在Cd胁迫下，NH₄⁺处理的龙葵地上部分干重显著高于NO₃^-处理；在Cd胁迫下，NO₃^-处理后幼苗叶片的An和Vc, max显著降低，而NH₄⁺处理后这些参数没有变化；此外，Cd胁迫导致NO₃^-处理中qP显著降低，qN显著增加；然而，在NH₄⁺处理中，-Cd和+Cd处理之间没有显著变化；这些结果表明，与NO₃^-相比，NH₄⁺可以维持龙葵正常的光合能力。
• 相比NO₃^-，NH₄⁺更能降低龙葵根系对Cd的吸收。NH4⁺处理的地上部分和根中的Cd含量低于NO₃^-处理；同样，NH₄⁺处理的根细胞汁液中Cd浓度和Cd²⁺的转运能力均低于NO₃^-处理；Cd特异性荧光探针显示，NH₄⁺处理的根尖和根原生质体的荧光强度低于NO₃^-处理；这些结果表明，NH₄⁺处理比NO₃^-处理具有更强的根系Cd解毒能力。
• 相比NO₃^-，NH₄⁺更能减少根中Cd²⁺的内流。
• 相比NO₃^-，NH₄⁺更能减少根中H⁺的内流。
• 相比NO₃^-，NH₄⁺更能增加根部细胞壁中Cd的固定。NH₄⁺处理的细胞壁Cd积累显著高于NO₃^-处理，NH₄⁺处理的细胞壁中果胶和HC1（半纤维素组分1）的含量均高于NO₃^-处理；与细胞壁成分的变化一样，NH₄⁺处理中HC1和果胶中的Cd积累远高于NO₃^-处理；这些结果表明，与NO₃^-相比，NH₄⁺可以通过提高Cd在龙葵根部细胞壁的固定化来缓解Cd的毒性。
• 扩张蛋白和Cd转运相关基因在不同形式的氮条件下的表达水平。与NO₃^-处理相比，NH₄⁺处理的根部SnExp表达上调；Cd胁迫导致NO₃^-处理地上部分SnExp转录水平显著增加；外源加入Cd后，NO₃^-处理的SnIRT表达显著高于NH₄⁺处理；NO₃^-处理下，Cd显著诱导了龙葵根和地上部分SnZRT的表达；此外，NH₄⁺处理根和地上部分中SnHMA的表达量高于NO₃^-处理；在根部，添加Cd显著诱导了SnHMA的表达，而在NO₃^-和NH₄⁺处理，SnHMA的表达没有显著差异；Cd添加显著诱导NO₃^-处理植株SnHMA的表达，而抑制NH₄⁺处理植株SnHMA的表达；在根部，NH₄⁺处理导致SnMTP表达高于NO₃^-处理；Cd添加后，NO₃^-处理的根中SnMTP表达增加，而NH₄⁺处理后表达降低；此外，Cd处理对根和地上部分SnNramp表达没有显著影响；这些结果表明，与NO₃^-相比，NH₄⁺降低了根部SnIRT和SnZRT的表达，以及地上部分SnZRT和SnHMA的表达，从而减轻了Cd的毒性。

 

结论

     综上所述，通过光合和生物量测定的生理和分子分析，利用非损伤微测技术、镉荧光染色、生化方法和实时定量PCR，证明了铵根比硝酸根更能提高植株的Cd耐受性。铵根缓解Cd毒性可能归因于以下原因：（1）铵根通过降低Cd转运基因，根部SnIRT和SnZRT，地上部分SnZRT、SnHMA和SnMTP转录水平，从而降低Cd吸收和积累；（2）铵根对Cd积累的减少也伴随着根细胞壁中Cd与果胶和半纤维素组分1结合的增加；（3）上调SnExp表达有助于增强铵根条件下Cd耐受性（图4）因此，与硝酸根相比，铵根减轻了超积累诱导的龙葵生长迟缓和光合作用损伤。

图1. 相比于硝酸根，铵根通过减少根中的Cd内流和增加细胞壁中的Cd固定，减轻超积累龙葵Cd毒性的机制示意图。

 

测试液

2 mM KNO₃, 25 μM CdCl₂, pH 5.8
1 mM (NH4)₂SO₄, 1 mM K₂SO₄, 25 μM CdCl₂, pH 5.8
2 mM KNO₃, 50 μM CdCl₂, pH 5.8
1 mM (NH4)₂SO₄, 1 mM K₂SO₄, 50 μM CdCl₂, pH 5.8

 

NMT仪器信息

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421029162?via%3Dihub

供稿：赵雪琦
编辑：刘兆义

 

关键词：植物修复调控；Cd²⁺内流；H⁺内流；氮形态；Cd转运相关基因