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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

 

 

【Nature】突破!植物气孔免疫的钙通道被发现! 

 

 

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

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

100 μM CdCl2实时处理

100 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:
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

AMF还有助于维持杨树中的离子稳态,并减轻由叶和根中过量Cd积累引起的细胞损伤。因此,AMF促进植物生物量并引起生长稀释效应,以减轻杨树中的Cd毒性。本研究首次阐明了杨树根与其相应地上部分之间发生的AMF生物增强的不同Cd 胁迫解毒机制。研究结果表明,AMF可以功能性地提高复垦尾矿区树木植株的Cd抗性,暗示根相关菌根真菌是云南白杨的扩展表型的功能成分之一,对矿山不利的条件具有很强的适应性。因此,引入适应性强和功能性强的AMF来帮助和增强快速生长和经济上重要的木本植物的耐受性和适应性,特别是在幼苗早期阶段,是一种可在极端的金属污染的尾矿中实施的可选择的开垦和植物管理策略。

 

测试液

0.1 mM CaCl2, 0.001/0.1 mM CdCl2, pH 8.0

 

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/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