【原】科研 | Chemosphere: 土壤中金属镍的积累对紫花苜蓿生理过程及基因表达的影响

转录组 2021-04-20

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编译：秦时明月，编辑：十九、江舜尧。

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导读

土壤中微量金属元素的含量正在不断上升，这已经成为一个不可忽视的环境问题，因为微量金属的过量积累可能会对植物、动物和人类造成严重损害。植物修复技术是一种基于自然过程的可抵消土壤生态系统中金属污染的有效方法。先前的研究表明，紫花苜蓿(Medicago sativa)是一种良好的可用于植物修复技术的模式植物。本研究旨在从生理、生化和基因转录水平评估金属镍(Ni)，一种经常被低估的微量金属元素的积累对紫花苜蓿的影响。该研究首先将紫花苜蓿培养于包含不同浓度镍离子(0，50，150，250和500 mg/kg)的土壤中60天，然后测定植株的各项生理指标，包括鲜、干物质质量和叶绿素含量，以及植株根和地上部的镍离子含量。研究人员接下来测定了与植株氧化应激能力有关的生理指标，包括丙二醛(MDA)含量、谷胱甘肽-S-转移酶 (GST)和过氧化物酶的活性，然后测定了不同镍离子浓度下Prx1C、GST和植物螯合素(PCs)基因的表达水平。本研究表明，随着土壤中镍离子浓度的增加，植物中镍离子的浓度显著增加。在植株的氧化应激方面，镍污染引起过氧化物酶和GST活性升高，以及MDA含量显著上升，尤其是在最高镍离子浓度(500 mg/kg Ni²⁺)的处理下。本研究的数据也显示Prx1C和GST基因的表达在地上部和根中都显着上调，并且PCs基因的表达在不同浓度的镍离子处理下都显著增强，表明这些基因在紫花苜蓿的镍金属解毒过程中起重要作用。该研究为解析紫花苜蓿抵御金属镍污染的机制提供了重要参考。

论文ID

原名：Physiological, biochemical and transcriptomic responses of Medicago sativa to nickel exposure

译名：紫花苜蓿对镍胁迫的生理生化和转录反应

期刊：Chemosphere

IF：5.108

发表时间：2020.2

通讯作者：Iteb BOUGHATTAS

通讯作者单位：突尼斯苏塞市，ISA, Chott-Meriem, 生物化学与环境毒理学实验室 (Laboratory of Biochemistry and Environmental Toxicology, ISA, Chott-Meriem, Sousse, Tunisia)

DOI号：https:///10.1016/j.chemosphere.2020.126121

实验设计

本试验所用植物材料为紫花苜蓿(Medicago sativa)，并种植于无镍处理和含有四种浓度(C1：50、C2：150、C3：250和C4：500 mg/kg)镍离子的土壤中，每个土样设置5个重复。植株处理60天后取样，研究人员测定了植株长度、干重、鲜重、叶绿素含量、氧化应激相关生理指标（总蛋白含量、过氧化物酶活性、GST活性、MDA含量）、土壤和植株中镍离子含量并计算了镍离子的生物富集系数、移位率和植株吸收率，最后进行了应激反应基因的表达分析。

结果

1 土壤和植株中镍离子含量及相应参数的分析

该研究发现，随着镍离子浓度的增加，镍离子在土壤中的积累量显著增加。土壤镍离子含量在112.51±1.5 mg/kg时达到最大值（表1）。此外，植物体内镍离子含量显著增加，在C4浓度镍离子处理60天后，地上部和根中镍离子含量分别达到21.93±3.33和75.2±0.16 mg/kg，表明镍离子主要积累在根部。表1记录了镍离子的生物富集系数、转运系数和植物吸收效率。该研究表明，镍离子主要积累在植物根系中。C1、C2、C3和C4处理的植物的生物富集系数显著增加。另外，随着镍离子浓度的增加，紫花苜蓿的植物吸收效率显著提高，这证明了紫花苜蓿拥有良好的积累大量金属离子的能力。

表1紫花苜蓿于不同浓度镍离子处理60天后土壤镍含量、植株地上部和根系镍吸收量、生物富集系数、转运系数和植物吸收效率。

2 镍离子胁迫下紫花苜蓿不同生理指标的分析

本研究首先考察了镍离子胁迫对紫花苜蓿根茎长度的影响。结果表明，与对照相比，在镍离子处理的土壤中生长的紫花苜蓿的植株长度显著缩短（表2）。镍离子浓度最高时，降幅显著提高，根长和地上部长度分别下降了33%和32.25%。另外，研究人员发现，随着镍浓度的增加，根重显著降低。在最高镍离子浓度下，植物根重的降幅最大，为5.11±1.0g，而对照植株为11.25±0.95g。

另外，研究人员发现，C2、C3和C4浓度下的地上部干物重显著降低，分别为37.96±0.7%、36.25±0.8%和34±1%，而对照值为41.76±1%。此外，C2、C3和C4处理显著降低了植株的根系干物质含量，平均值分别为24.78±1.28%、22.5±1.47%和21.81±1.38%，而对照值为59.13±1.77%（表2）。

本研究也测定了镍离子处理60天后植物的叶绿素含量（表3）。试验数据表明，叶绿素a和叶绿素b的含量显著降低。根据施用镍离子浓度的不同，C1、C2、C3和C4处理的植株叶绿素含量从2.27±0.05 mg/g FM降至2.25±0.06、2.08±0.03、1.95±0.032和1.75±0.023 mg/g FM。C1、C2、C3和C4处理的叶绿素b含量也分别从对照的1.62±0.14 mg/g FM下降到1.1±0.13、0.95±0.04、0.67±0.11和0.43±0.07 mg/g FM。另外，镍离子处理后，叶绿素a/b比值升高，而总叶绿素含量降低，其中C4处理的植物叶绿素a/b比值最高，为4.01±0.31。这些研究结果表明，紫花苜蓿在处理60天后，除了地上部和根系的生长略有下降外，没有发生明显的形态学或农艺病害，表明紫花苜蓿对高浓度镍离子有耐受性。

表2不同浓度镍离子处理60天对紫花苜蓿地上部和根长、重量和干物质的影响。

表3不同浓度镍离子处理60天对紫花苜蓿叶绿素含量的影响。

3 镍离子胁迫对紫花苜蓿过氧化物应激反应的影响

该研究发现，在不同镍离子浓度处理60天后，紫花苜蓿叶片中过氧化物酶活性增加(图1A)，其中于最高浓度镍离子处理的紫花苜蓿中发现了最高的酶活，并且在紫花苜蓿根中也得到了同样的试验结果(图1A)。此外，研究人员发现处理后GST的比活性显著增加(图1B)。

研究人员也测定了不同镍离子浓度处理下紫花苜蓿不同部位GST的活性。在C4处理浓度下，植物地上部的GST活性达到了最高值。而在根系中，C3浓度镍离子处理时的GST酶活性较高。另外，该研究通过测定植物叶片和根中MDA含量来评估镍离子对生物膜的氧化损伤。镍离子毒害导致叶和根中MDA含量显著增加(图1C)。在叶片中，C4浓度下的MDA含量最高，而在根部，脂质过氧化作用也随着镍离子浓度的增加而增强。

图1 不同镍离子浓度处理60天对紫花苜蓿叶片和根系过氧化物酶活性、谷胱甘肽转移酶活性和丙二醛含量的影响。

4 镍离子胁迫对紫花苜蓿基因表达的影响

研究人员考察了紫花苜蓿中重金属胁迫应激反应相关基因的表达水平。结果显示，Prx1C、GST和PCs基因的表达水平(图2)在镍离子处理下显著增加。其中，Prx1C基因分别在C4浓度处理的地上部和C2浓度处理的根部观察到了表达水平的最显著增加。有趣的是，在C1和C2浓度下，与地上部相比，Prx1C基因表达水平的增加在根中更显著。另外，GST基因的表达水平在C3和C4浓度处理的植株中上调幅度最大。而对于PCs基因来说，其根部的表达水平增高量比地上部更显著，并且在C4浓度处理的植株中表达量最高，这与考察Cd、Zn、Cu、Ag、Hg和Pb等重金属对植物影响的结果是一致的，这说明了PCs基因在土壤微量元素植物修复中的重要作用。这些结果表明Prx1C、GST和PCs基因在紫花苜蓿耐镍胁迫中起关键作用。

图2 不同浓度镍离子处理60天后紫花苜蓿地上部和根部Prx1C，GST和PCs基因的实时定量PCR分析。

5 不同浓度镍离子处理下紫花苜蓿的反应演变分析

接下来，研究人员进行了紫花苜蓿在不同镍离子浓度处理下的反应演变分析(图3)。主成分分析（PCA）的第一轴和第二轴分别表明了85.61%和7.47%的方差。结果显示，对照组与C3和C4浓度的处理组之间有很强的分离。此外，大部分C4浓度处理的植株表现为高过氧化物酶和GST活性，并在地上部和根部有更为明显的镍积累。

此外，相关矩阵分析(图4)显示，土壤中镍离子的浓度与紫花苜蓿植株地上部和根系中的镍离子浓度、植株(根和地上部)中GST、过氧化物酶活性和MDA含量的升高呈极显著正相关，并且土壤、植株地上部和根系中镍离子含量与叶绿素含量呈负相关。这些参数反映了植株受到了较高的细胞毒性，这表明了紫花苜蓿在镍离子处理下生长减缓的原因。

图3 紫花苜蓿对不同镍浓度响应的主成分分析双线图。

图4 镍离子处理后所研究的不同参数之间的相关矩阵分析。

结论

在以往的研究中，紫花苜蓿被证明对多种重金属如Cd、Cu、Zn和Pb具有耐受性，而且紫花苜蓿具有不需要任何特殊栽培措施并适应广泛气候的特点。由于这个原因，紫花苜蓿是缓解陆地生态系统中重金属污染的一个很好的模式植物。为了了解紫花苜蓿对于金属镍的土壤净化能力，本研究评估了紫花苜蓿对镍离子胁迫响应过程中生理生化及基因表达的变化，这对于扩大紫花苜蓿可吸收重金属的种类，加快了解紫花苜蓿对不同重金属离子的吸收机制具有重要意义。