【摘 要】
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植物修复技术是土壤重金属修复研究中的热点问题,应用前景广泛。相对于一些一年生、且生物量小的镉(Cd)超积累植物而言,草坪草具有适应性强、多年生、耐低修剪等优点,可以迅速地覆盖地表,防止重金属通过水或风的侵蚀迁移到别处,这些优点使草坪草比其他超富集植物在修复Cd污染土壤上具有显著的优越性。前期研究表明,草地早熟禾(Poa pratensis)具有较强的Cd富集能力和耐Cd性,但是高浓度Cd胁迫会严重
【基金项目】
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高等学校创新基金项目——油菜素甾醇调控镉胁迫下草地早熟禾根系发育的研究( 2020-054A)(牛奎举主持); 国家自然科学基金项目——镉胁迫下IAA调控草地早熟禾根生长响应机理研究(32071886)(马晖玲主持); 青年科技基金项目——草地早熟禾叶肉原生质体分离及CRISPR/Cas9瞬时转化的研究(20JR10RA5
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植物修复技术是土壤重金属修复研究中的热点问题,应用前景广泛。相对于一些一年生、且生物量小的镉(Cd)超积累植物而言,草坪草具有适应性强、多年生、耐低修剪等优点,可以迅速地覆盖地表,防止重金属通过水或风的侵蚀迁移到别处,这些优点使草坪草比其他超富集植物在修复Cd污染土壤上具有显著的优越性。前期研究表明,草地早熟禾(Poa pratensis)具有较强的Cd富集能力和耐Cd性,但是高浓度Cd胁迫会严重的抑制其根系的生长。2,4-表油菜素内酯(2,4-Epibrassinolide,EBR)是在植物上应用最广泛的BRs化合物之一,外源EBR可调控植物的生长发育,且对植物低温、高温、干旱、盐和重金属胁迫损伤均具有一定的缓解效应。目前,有关EBR对Cd胁迫下植物根系生长发育调控的研究相对较少,且其作用机理尚不明确。为探究外源EBR对Cd胁迫下草地早熟禾根系生长的影响,本研究以耐Cd品种‘午夜’和Cd敏感性品种‘橄榄球2号’为试验材料,探究了不同浓度EBR(5、50、100 n M)对Cd胁迫下草地早熟禾根系生长和BR合成和信号通路基因表达的影响;分析了根系抗氧化酶活性及基因表达量、内源激素含量、内源激素合成和信号转导通路基因表达量,旨在确定BRs参与调控Cd胁迫下草地早熟禾根系生长的作用,初步揭示BRs调控Cd胁迫下草地早熟禾根系生长的机理。主要研究结果如下:(1)‘午夜’和‘橄榄球2号’的根长在Cd胁迫的第6 d,分别减小了40.52%和33.11%,在Cd胁迫下施加5 n M EBR,可显著增加草地早熟禾根系长度,‘午夜’和‘橄榄球2号’的根长相比Cd胁迫分别增加了62.62%和35%。在Cd胁迫下施加不同浓度EBR均可显著增加草地早熟禾根系交叉数,但5 n M EBR处理下的根系交叉数最高。此外,外源5 n M EBR可显著促进侧根原基的发育。因此,5 n M EBR可显著促进Cd胁迫下草地早熟禾根系生长。在Cd胁迫初期,草地早熟禾‘午夜’根系BR合成基因PpCPD和PpDET均被上调表达,而‘橄榄球2号’根系的PpCPD和PpDET均被下调表达。胁迫后期根系PpCPD和PpDET在两个品种中均被上调表达。5和100 n M EBR处理下Cd胁迫初期‘橄榄球2号’根系PpCPD和PpDET表达量大于Cd胁迫对照。草地早熟禾BR信号通路调控基因表达,如PpBZR、PpCDG和PpBIN等,在Cd胁迫和外源EBR处理时均有显著变化。因此,BR合成和信号转导通路基因可能也参与了Cd胁迫草地早熟禾根系生长的调控。(2)Cd胁迫下施加5 n M EBR与Cd胁迫相比,‘午夜’和‘橄榄球2号’的CAT活性分别增大了18.29%和29.51%;POD活性分别增大了51.00%和58.16%;SOD活性分别增大了11.43%和7.91%;APX活性分别增大了21.55%和22.68%;GR活性增大了37.83%和2.35%;‘午夜’根中PpCAT基因的表达量显著增大,为Cd胁迫处理的3.49倍,‘橄榄球2号’中PpCAT基因的表达量无显著变化;PpGR和PpAPX基因的表达量也均被显著上调表达。此外,与Cd胁迫相比,施加5 n M EBR可减小草地早熟禾根系O2·-产生速率和H2O2的积累,说明外源EBR可通过促进草地早熟禾根系的抗氧化防御系统来缓解Cd胁迫引起的氧化损伤。(3)Cd胁迫处理减小了草地早熟禾根中IAA、t ZR、IPA和JA含量,并增加了ABA含量。在Cd胁迫下,外源EBR处理可提高草地早熟禾根中IAA和EBR含量。此外,外源EBR可调控Cd胁迫下根系上调表达‘午夜’草地早熟禾IAA合成基因PpTAR2和PpYUCCA,IAA转运基因PpPIN,‘橄榄球2号’草地早熟禾IAA合成基因PpYUCCA,IAA信号基因PpIAA6被上调表达,这说明外源EBR可通过协同调控生长素合成、转运和信号转导来缓解Cd胁迫对草地早熟禾根系生长的抑制效应。
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