JHM云大赵之伟组:NMT发现接种AMF抑制Cd胁迫下滇杨根的泌H+吸Cd 为揭示AMF增强滇杨对矿区环境适应性机制提供证据
转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟
基本信息
主题:NMT发现接种AMF抑制Cd胁迫下滇杨根的泌H+吸Cd 为揭示AMF增强滇杨对矿区环境适应性机制提供证据
期刊:Journal of Hazardous Materials
影响因子:10.588
研究使用平台:NMT重金属创新平台
标题:Harnessing an arbuscular mycorrhizal fungus to improve the adaptability of a facultative metallophytic poplar (Populus yunnanensis) to cadmium stress: Physiological and molecular responses
作者:云南大学李涛、赵之伟、刘弟
检测离子/分子指标
Cd2+、H+
检测样品
滇杨根(距根尖500 μm 根表上的点)
中文摘要
滇杨(Populus yunnanensis Dode)是一种兼性金属型杨树,在贫瘠的尾矿区表现出造林潜力。然而,丛枝菌根真菌(AMF)在滇杨对重金属胁迫适应性中的相互作用及其功能作用尚不清楚。本文研究了在镉(Cd)胁迫(50 mg kg-1)下,滇杨小苗对AMF(Funneliformis mosseae摩西管柄囊霉)的生理和分子响应。结果表明,接种AMF后,Cd对细胞器的植物毒害作用减弱,同时降低了杨树叶片、茎、根中的Cd浓度。在Cd胁迫下,AMF阻断了金属转运蛋白(例如Ca2+通道)的活性,通过减少H+外排减少了根细胞的Cd内流。AMF对根际沉积物的生物强化作用以稳定金属,DTPA可提取的Cd也随之降低。接种AMF可促进Cd向无活性、低毒的形态转化,有助于维持离子稳态,缓解过量Cd引起的营养离子(例如Ca、Mg)紊乱。叶片酶和非酶抗氧化系统被触发。根和叶的生理响应模式不同。AMF调控杨树功能基因,鉴定出9个金属响应功能基因。研究认为AMF是滇杨表型延伸的功能组分,有助于增强植物对不利尾矿条件的适应性。
离子/分子流实验处理方法
接种(M+)或不接种(M-)AMF的滇杨
①100 μM CdCl2实时处理
②100 μM CdCl2实时处理24h
③50 mg kg-1 CdCl2处理60 d(LT)
④100 μM CdCl2+5 mM LaCl3处理24 h
⑤100 μM CdCl2+ 0.5 mM Na3VO4处理24 h
离子/分子流实验结果
为了研究AMF接种对杨树Cd2+流速的影响,研究用非损伤微测技术(NMT)检测了杨树根部的Cd2+净流速。结果表明,所有处理的杨树都能检测到Cd2+净内流。所有三个Cd处理时期(实时、短期和长期)的结果表明,与对照杨树的根相比,AMF接种显著降低了杨树根部的Cd2+内流。添加LaCl3(一种Ca2+通道的特异性抑制剂)也显著阻断了短期处理(ST)杨树根细胞中Cd2+的内流,而不依赖于是否接种AMF。同样,在短期处理(ST)后,与非菌根对照(M-ST+LaCl3)相比,接种AMF进一步显著降低了添加LaCl3(M+ST+LaCl3)的杨树中Cd2+的内流速率。添加原钒酸钠(Na3VO4,一种特殊的H+-ATPase抑制剂)可显著抑制H+外排。在添加Na3VO4的条件下,与非菌根对照(M-ST+Na3VO4)相比,经短期Cd和Na3VO4(M+ST+Na3VO4)处理的菌根定殖的杨树根部Cd内流速率显著降低(图1)。
图1. 丛植菌根真菌接种对杨树根部Cd2+净流速的影响。正值代表离子外排,负值表示离子吸收。
为了研究AMF接种对杨树H+流速的影响,研究用NMT检测了杨树根部的H+净流速。结果表明,所有杨树都表现出来自根细胞的净H+外排,外排速率小于0.1 pmol cm-2s-1。无论是在Cd实时处理之前还是之后,接种AMF对未经Cd处理的杨树根部H+外排没有显著影响。然而,与对照相比,在短期和长期Cd暴露处理下,AMF接种显著降低了杨树根部的H+外排速率(图2)。
图2. 丛植菌根真菌接种对杨树根部H+净流速的影响。正值代表离子外排,负值表示离子吸收。
其他实验结果
-
Cd胁迫下丛枝菌根真菌促进杨树生长。结果表明,与无Cd处理的植株相比,无论是否接种AMF,Cd都能显著抑制杨树的生长。然而,在50 mg kg-1 Cd 胁迫下,接种 AMF 显著提高了杨树高度和重量的净增量。双因子方差分析表明杨树的生长(鲜重和高度)显著受Cd添加和AMF接种的影响,并且对植物高度具有双因素交互作用;与非菌根对照相比,AMF接种显着增加了杨树在Cd 胁迫条件下的净光合速率。 -
丛枝菌根真菌缓解了Cd对杨树细胞的超微结构损伤。透射电镜显示,与无Cd条件下叶和根细胞(如叶绿体和线粒体)完整的细胞器相比,Cd胁迫对杨树细胞造成明显损伤,如植物叶静脉细胞和根皮质细胞有明显的浆溶解和线粒体空泡化;然而,接种AMF缓解了Cd毒性引起的细胞损伤。 -
丛枝菌根真菌缓解Cd植物毒性的功能机制:
-
丛枝菌根真菌减少了Cd积累。双因子方差分析表明,杨树叶、茎和根中的Cd浓度,显著受到Cd添加和AMF接种以及这两个因素之间的相互作用的影响;与对照相比,接种AMF显著降低了叶、茎和根中Cd的积累;Leadmium™ Green AM染料对Cd分布的荧光标记也支持了上述结果。 -
丛枝菌根真菌降低土壤DTPA可提取Cd。研究发现无Cd处理的根际沉积物中的Cd小于0.02 mg kg-1;接种AMF显著降低了无Cd和Cd胁迫处理根际沉积物中DTPA可提取的Cd浓度。双因子方差分析表明,添加Cd显著增加根际沉积物中DTPA提取的Cd浓度,而接种AMF显著降低该浓度。 -
丛枝菌根真菌改变Cd的化学形态和亚细胞分布。接种AMF降低了不同亚细胞组分Cd积累浓度;然而,与对照相比,杨树叶和根中不同亚细胞组分中Cd的比例没有显著影响;对于AMF接种的杨树叶片,低毒性Cd显著增加,而高毒性Cd(包括无机Cd和水溶性Cd)显著降低。 -
丛枝菌根真菌改变了矿质元素模式。Cd添加和AMF积累对杨树组织中5种营养元素的积累有显著影响,其中分别有34个对比变化显著(18个Cd诱导和16个AMF诱导);与非菌根杨树相比,AMF接种显著促进5种营养元素在地上部分以及在地下部分的积累。 活性氧、丙二醛和丛枝菌根真菌触发的抗氧化能力。与非菌根对照相比,AMF接种引发了叶片抗氧化系统,包括显著增加的POD和CAT活性,和GSH含量,以应对氧化应激;AMF定殖缓解了Cd胁迫,并显著降低了叶片MDA浓度;然而,与未接种的对照组相比,接种AMF仅仅增加了杨树根系中POD的活性。 丛枝菌根真菌诱导的转录应答。本研究评估了Cd添加和AMF接种对杨树基因的差异表达;研究发现Cd响应DEGs与AMF响应的DEGs有不同的表达模式;在4303个DEGs中,30个核心基因被鉴定,这些基因由AMF接种和Cd添加共同调控,并编码不同细胞功能相关的功能蛋白,包括谷胱甘肽转移酶、氧化还原酶、光合作用(碳固定)、碳水化合物代谢、转录、跨膜运输、液泡膜功能、转移酶活性和水解酶活性;在所有DEGs中,共注释了3780个基因,可能与杨树对重金属胁迫的响应有关。将这3780个基因分为9个聚类,包括金属细胞区段化(细胞壁和液泡)、重金属螯合(包括氨基酸、柠檬酸和碳水化合物)、金属转运(离子结合和跨膜转运)、膜完整性(如膜成分)、渗透调节(如,抗氧化活性(包括抗氧化酶、谷胱甘肽转移酶和其他抗氧化酶)、植物激素、生长稀释和其它效应,例如,涉及重金属抗性的核糖体相关基因;研究还发现,参与重金属抗性的DEGs主要与金属运输和抗氧化活性有关,其次是细胞壁和液泡中的细胞区隔化,然后是氨基酸和碳水化合物的金属螯合作用。
结论
总之,研究结果表明,AMF接种通过减少宿主植物对Cd的吸收和积累,以及降低根际沉积物中可提取Cd的浓度,从而显著减轻了杨树中Cd的植物毒性。此外,AMF对调控云南白杨对Cd胁迫的防御反应具有全局作用,包括参与金属离子转运的9个基因簇,以及增强细胞内解毒机制,如区室化、抗氧化活性。
测试液
0.1 mM CaCl2, 0.001/0.1 mM CdCl2, pH 8.0
NMT仪器信息
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421023980?via%3Dihub
供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义
关键词:摩西管柄囊霉;重金属;矿山修复;植物管理;植物毒性;植物类