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EP南农崔瑾：血红素加氧酶诱导剂抑制BcIRT1转录降低小白菜Cd吸收

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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NMT作为生命科学底层核心技术，是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年，NMT已扎根中国15年。2020年，中国NMT销往瑞士苏黎世大学，正式打开欧洲市场。

 

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崔瑾往期NMT成果：NMT主导钙依赖的活性氧信号介导富氢水促根系拒镉的研究

 

基本信息

主题：血红素加氧酶诱导剂抑制BcIRT1转录降低小白菜Cd吸收

期刊：Environmental Pollution

影响因子：6.792

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Hemin-decreased cadmium uptake in pak choi (Brassica chinensisL.)seedlings is heme oxygenase-1 dependent and relies on its by-products ferrous iron and carbon monoxide

作者：南京农业大学崔瑾、苏娜娜

 

检测离子/分子指标

Cd2+

 

检测样品

小白菜根伸长区（距根尖8 mm根表上的点）和成熟区（距根尖16 mm根表上的点）

 

摘要

        镉（Cd）是农田中的主要污染物，不仅极大地限制了农作物的生产，而且通过进入食物链还会给人类健康带来严重威胁。之前的研究表明，hemin处理可以减少小白菜幼苗中Cd的积累，然而其机制还不清楚。本研究使用非损伤微测技术（NMT）实时监测小白菜根部Cd2+流速，证明hemin处理可以降低植物对Cd的吸收，而不是Cd在植物体内发生转移。此外，研究通过比较小白菜幼苗、野生型拟南芥及heme oxygenase-1（HO-1）突变体对不同化学处理的反应，证据了hemin是以HO-1依赖的方式降低Cd的吸收。此外，对hemin降解产物的分析表明，hemin对Cd吸收抑制可能通过抑制菜根中Fe2+/Cd2+转运体BcIRT1的表达来实现的。

 

离子/分子流实验处理方法

① 3日龄幼苗，10 μM hemin预处理1 d再用20 μM CdCl2处理20 min（hemin/Cd），对照为仅用20 μM CdCl2处理，不施加hemin预处理（-/Cd）

②  3日龄幼苗用无、10 μM hemin或10 μM ZnPP预处理1 d，用20 μM CdCl2处理20 min

③ 3日龄幼苗用无、10 μM Fe2+、10 μM CORM-3或10 μM BR预处理1 d，用20 μM CdCl2处理20 min

 

离子/分子流实验结果

        采用NMT技术测定了小白菜根表面Cd2+流速的变化，探讨了氯化血红素（hemin）处理后，小白菜幼苗Cd含量是否由于Cd吸收减少而降低。在Cd胁迫下，小白菜根尖迅速吸收Cd2+，在伸长区的内流速率高于成熟区（图1E和G）。与对照组相比，氯化血红素预处理显著减少了Cd2+的内流，在伸长区和成熟区分别平均减少17.4%和18.5%（图1F和H）。因此，在Cd胁迫下，hemin处理降低了Cd的吸收，而不是Cd的运输。

 

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图1. Hemin预处理对小白菜根尖不同区域的Cd2+净流速的影响

 

        ZnPP预处理的小白菜幼苗根部Cd2+吸收速率在伸长区和成熟区分别显著提升了17.6%和6.5%（图2）。

 

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图2.Hemin或ZnPP预处理对小白菜根尖不同区域的Cd2+净流速的影响

 

        如图3所示，CO和Fe2+预处理显著降低了根系伸长区和成熟区对Cd的吸收。与该结果一致的是，CO和Fe2+预处理的幼苗中积累的Cd较少（图3）。相反，BR预处理呈现出与非预处理幼苗类似的Cd内流速率（图3）。综上，hemin降解的副产物CO和Fe2+可能是通过抑制Cd的吸收共同促进了Cd的耐受。

 

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图3. Fe2+、10 μM CORM-3或10 μM BR预处理对小白菜根尖不同区域的Cd2+净流速的影响

 

其他实验结果

  • 与单纯Cd处理相比，hemin+Cd的处理显著降低了所有被测组织（地上部分、茎、叶等）中的Cd浓度。

  • 施用hemin并不影响Cd在整个植株体内的转移系数（translocation factor）。

  • ZnPP可以消除hemin对BcHO-1表达的诱导作用。

  • hemin+ZnPP的预处理未能消除Cd胁迫的影响，至少没有达到hemin单独预处理的程度。因此，hemin在Cd耐受性中的积极作用很可能依赖于HO-1活性。

  • hemin增强的HO-1依赖的Cd耐受性似乎在不同植物物种中具有保守性。

  • hemin降解产物（CO、Fe2+和BR）对Cd胁迫下植物生长的保护作用可能与hemin相似。

  • Cd胁迫和ZnPP预处理显著诱导BcITR1转录，而hemin、Fe2+和CO预处理抑制了BcITR1的表达。

 

结论

        本研究发现，外源hemin的施用通过HO-1依赖的方式减少Cd的吸收，提高了Cd的耐受性。抑制Cd的吸收可能是依赖hemin的副产物Fe2+和CO，通过抑制BcIRT1转录来实现的。

 

离子流实验使用的测试液

0.02 mM CdCl2 , 0.1 mM KCl , 0.3 mM MES , pH 6.0


文章原文：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115882

 

关键词：BcIRT1、镉吸收、CO、亚铁、血红素、HO-1、NMT

 

 

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