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镉（Cd）是一种具有很强毒性的重金属,对植物造成严重损伤。细胞壁是植物抵御外来入侵的第一道屏障,从而降低了对原生质体的损伤程度。基于本课题组前期已开展绿豆幼苗期对Cd胁迫响应的生理生化与分子机制研究,本研究聚焦于细胞壁相关的5种酶,从细胞壁层面揭示绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。通过NCBI下载绿豆[Vigna radiata（Linn.）R.Wilczek]基因组注释文件,利用HMMER和Pfam等工具对绿豆果胶甲酯酶（PME）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶裂解酶（PL）、内切几丁质酶（ECH）和漆酶（LAC）等细胞壁相关酶基因进行鉴定,分析细胞壁相关酶基因结构和系统发育等。运用转录组和酶学方法检测对照条件和Cd胁迫下绿豆苗期根、茎和叶中细胞壁相关酶基因表达模式及酶活性的变化。结果如下:1.绿豆基因组有80个果胶甲酯酶基因（Vr PMEs）,91.3%Vr PMEs基因具有相似的结构和motif组成。系统发育分析将80个Vr PMEs编码果胶甲酯酶蛋白（Vr PMEs）归为5个进化枝,其与大豆Gm PMEs具有更近的亲缘关系。绿豆Vr PMEs成员中,23个Vr PMEs仅含有pectinesterase结构域外,57个Vr PMEs含有pectinesterase和PMEI两个PME典型结构域。转录组结果表明,17个Vr PMEs在对照和Cd处理组绿豆苗期根、茎、叶中均有表达,但表达水平不同。Cd胁迫显著上调根中3个Vr PMEs平均3.52倍,显著下调14个Vr PMEs平均1.89倍;显著上调茎中2个Vr PMEs平均2.69倍;显著上调叶中8个Vr PMEs平均0.37倍。Cd胁迫在1、5和9 d显著升高根中PME的平均酶活6%、32%和85%倍,而对茎和叶中PME活性影响较小。表明PMEs基因及其酶在根部参与了绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。2.绿豆基因组有68个多聚半乳糖醛酸酶（Vr PGs）,系统发育分析将68个Vr PGs编码的多聚半乳糖醛酸蛋白（Vr PGs）归为7个进化枝,其与大豆Gm PGs具有更近的亲缘关系。绿豆Vr PGs有3个典型的结构域（Glyco＿hydro＿28、Pectate＿lyase＿3和Beta＿helix）,仅含有Glyco＿hydro＿28结构域的有26个,具有Glyco＿hydro＿28和Pectate＿lyase＿3结构域的有35个,Glyco＿hydro＿28和Beta＿helix都有的7个。转录组结果表明,12个Vr PGs在对照和Cd处理组绿豆苗期根、茎、叶中均有表达,但表达水平不同。Cd胁迫根中Vr PG13显著上调1.58倍,显著下调8个Vr PGs平均1.68倍;显著上调茎中8个Vr PGs平均2.5倍;显著上调叶中5个Vr PGs平均0.68倍。Cd胁迫在第5和9 d显著升高根、茎和叶的PG的活性,根中平均升高10%,茎中平均升高16.4%,叶中平均升高4.1%。表明PGs基因及其酶在根和茎中参与了绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。3.绿豆基因组有28个果胶裂解酶基因（Vr PLs）,系统发育分析将28个Vr PLs编码果胶裂解酶（Vr PLs）归为7个进化枝,其与大豆Gm PLs具有更近的亲缘关系。绿豆Vr PLs有3个典型的结构域（Pectate＿lyase＿4、Pectate＿lyase＿N和Beta＿helix）,仅含有Pectate＿lyase＿4结构域的有15个,具有Pectate＿lyase＿N和Pectate＿lyase＿4结构域的有6个,Pectate＿lyase＿4和Beta＿helix都有的7个。转录组结果表明,11个Vr PLs在对照和Cd处理组根中表达,茎和叶中有9个相同的基因表达,但表达水平不同。Cd胁迫显著上调根和茎2个Vr PLs基因,平均为1.35和0.8倍;显著上调叶中5个Vr PLs平均1.61倍。在根、茎和叶中的上调倍数最高的都是Vr PL16和Vr PL15。Cd胁迫在第1和9 d显著升高茎PL活性,分别升高了6.2%和17.8%,叶中在第9天升高18.2%。表明PLs基因及其酶在茎和叶中参与了绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。4.绿豆基因组有32个内切几丁质蛋白酶基因（Vr ECHs）,57.1%Vr ECHs具有相似的结构和共同的motif。系统发育分析将32个Vr ECHs编码内切几丁质蛋白酶（Vr ECHs）归为5个进化枝,其与大豆Gm ECHs具有更近的亲缘关系。绿豆Vr ECHs有3个典型的结构域（Glyco＿hydro＿18、PK＿Tyr＿Ser-Thr和Pkinase）,Vr ECH05和Vr ECH06这3个结构域都有,所有蛋白都有Glyco＿hydro＿18结构域。转录组结果表明,4个Vr ECHs在对照和Cd处理组根和茎中表达,5个Vr ECHs在叶中表达,但表达水平不同。Cd胁迫显著上调根中3个Vr ECH平均91.2倍;显著上调茎中Vr ECH18平均4.32倍;显著上调叶中2个Vr ECHs平均6.27倍。Cd胁迫在显著升高茎中ECH活性平均12%,显著升高叶中ECH活性18.2%,综合表明ECH基因及其酶在茎和叶中参与了绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。5.绿豆基因组有49个漆酶基因（Vr LACs）,53.1%Vr LACs具有相似的结构和共同的motif。系统发育分析将49个Vr LACs编码漆酶蛋白（Vr LACs）归为5个进化枝,其与大豆Gm LACs具有较近的亲缘关系。绿豆Vr LACs有3个典型的结构域（Cu＿oxidase、Cu＿oxidase＿2和Cu＿oxidase＿3）,所有蛋白都有这3个典型结构域。转录组结果表明,18个Vr LACs在对照和Cd处理组根、茎和叶中表达,但表达水平不同。Cd胁迫显著上调根中所有Vr LACs平均6.26倍;显著上调茎中所有基因平均3.4倍;显著上调叶中3个Vr LACs平均1.48倍。Cd胁迫显著升高了根中LAC活性,平均升高了56%,第5 d和第9d显著升高茎LAC活性19%,综合表明LAC基因及其酶在根和茎中参与了绿豆幼苗对Cd胁迫的响应。综上,本研究表明,5种细胞壁相关酶在转录组和活性层面,不同程度的参与了Cd胁迫的响应,且PLs和ECHs主要在茎和叶中响应Cd胁迫,PMEs、PGs和LACs主要在根和茎中响应的Cd胁迫。