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《研究发现褪黑素可提高植物重金属镉抗性》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2018-06-10

  • 近期，中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所研究员吴丽芳课题组在研究植物对重金属镉抗性调控机理方面取得进展。该研究发现一种重要生物激素褪黑素，可显着增加植物对重金属镉抗性，施用褪黑素的植物在含重金属土壤上的长势、产量等重要农艺性状得到显着提高。该成果为土壤重金属污染综合治理提供了新途径，相关研究结果发表于国际期刊Molecules（doi： 10.3390/molecules23040799）。

    重金属镉污染是目前农业生产难题。重金属镉不仅影响植株的生长和产量，还在植株和果实中积累，摄入后严重威胁人和动物健康。目前修复重金属污染土壤主要通过物理、化学和生物方法，其中生物方法温和，主要通过植物或微生物吸收转移或钝化作用去除重金属，然而，重金属对植物胁迫作用会降低植物产量，影响清除效率。此研究为通过增加作物生物量提高重金属清除效率提供新思路。目前，课题组已开展技术产业化研发，预计产品应用成本约15元/亩，有产业化前景。

    通过研究发现，植物中存在一系列褪黑素合成关键基因，这些基因表达水平和内源褪黑素合成受重金属镉胁迫后表达上调，褪黑素进一步激活内源过氧化物清除系统，特异性地增强APX和SOD两种抗氧化酶表达，从而提高抗逆能力。研究还发现褪黑素可显着促进植物根生长，增强植株逆境抗性。该研究对阐明新型植物激素-褪黑素在植物逆境调控上的作用具有重要意义。

    该研究工作得到了中国科学院第二粮仓“STS”项目、安徽省重大项目、安徽省自然科学基金等支持。

  • 原文来源：http://news.bioon.com/article/6723218.html
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  • 《昆明植物所等解析聚天冬氨酸促进植物富集重金属镉的机制》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-01-07
    • 重金属镉（Cd）对生物体而言是一种有毒元素，耕地土壤中的Cd严重威胁着人类健康，去除污染土壤中的Cd是保证土壤长期安全利用的必要措施。植物提取是利用Cd高（超）富集植物将土壤中的Cd吸收和转运至地上部分，通过收获植物材料进行无害化、资源化处理的一种修复土壤Cd污染的绿色技术。除了植物对Cd的吸收和富集能力，植物提取效率与土壤条件也密切相关：一方面，土壤中的有效营养影响植物的生长；另一方面，土壤中Cd的有效性直接决定植物对Cd的吸收效率。因此，可以利用一些土壤改良剂提高土壤中矿质元素或重金属的生物有效性来强化植物提取效率。 聚天冬氨酸（PASP）是一种可完全降解的天然聚合物，在农业和环境领域有广泛的应用。研究发现PASP能有效强化植物对土壤中重金属的提取效率，但前期普遍认为PASP通过螯合作用直接活化了土壤中的重金属或营养元素，而忽略了PASP与其他土壤因子（特别是土壤微生物）的相互作用是否会对植物富集重金属产生影响。为了从相关机制中进一步发掘强化植物提取Cd效率的方法，中国科学院昆明植物研究所和云南师范大学研究人员以Cd高富集植物鬼针草（Bidens pilosa L.）为研究对象，对以上问题展开了研究。 研究人员发现土壤添加3g kg-1和6g kg-1的PASP不仅显著（P < 0.05）增加了鬼针草的生物量，也显著（P < 0.05）促进了鬼针草对Cd的吸收（图1），最终使得鬼针草对Cd的提取效率（地上部分总Cd富集量）分别提高了46.4%和76.4%。对植物根际土壤的元素含量分析表明PAPS处理明显改变了（P < 0.05）土壤元素的有效性，从而有效促进了植物对Cd和营养元素的摄入。除了PASP对元素的直接螯合作用，该研究发现PAPS处理使植物根际募集了多种植物促生菌（图2），这些植物促生菌能通过多种机制促进Cd胁迫下鬼针草的生长和活力，同时一些植物促生菌也能通过分泌有机酸、铁载体等物质间接活化土壤中Cd和营养元素。其中，一些具有解钾（K）功能的植物促生菌可能和PASP一起使得土壤有效K含量增加3.7~21.7倍，除了作为植物营养，有效K的增加可能也对植物富集Cd具有重要的调节作用。此外，植物生理和代谢组分析发现鬼针草叶片中抗氧化酶、氨基酸、有机酸和脂类参与的多种解毒过程被显著（P < 0.05）诱导，这是鬼针草在Cd摄入显著增加的情况下维持生长的内在基础。 以上结果表明PASA通过重塑植物根际环境（特别是微生物群落组成）和调节植物代谢过程来促进鬼针草的生长和对Cd的富集。该研究促进了对土壤螯合剂强化植物提取效率的机制的认识，为螯合剂和植物促生菌联合强化植物提取效率提供了理论指导。研究结果以Polyaspartic acid enhances the Cd phytoextraction efficiency of Bidens pilosa by remolding the rhizospheric environment and reprogramming plant metabolism为题发表在Chemosphere上。相关研究工作得到中国科学院青年创新促进会和云南省基础研究计划重点项目等的支持。
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  • 《昆明植物所揭示烟酰胺缓解重金属Cd对植物毒性的机制》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-05-13
    •     重金属胁迫是植物面临的最重要的非生物胁迫之一。过量的重金属会抑制植物基本的生理活动，破坏代谢过程，损害细胞结构和功能，导致植物生长停滞甚至死亡。植物自身能通过由许多小分子物质或蛋白参与的螯合、抗氧化和区室化作用等解毒过程来应对重金属，从中发掘的一些重要的代谢物可以外用来缓解重金属对植物的毒性。 烟酰胺是生物体中辅酶I和辅酶II的组成部分，在植物中参与对氧化胁迫的响应。少量研究报道了外源烟酰胺能够促进植物对重金属的耐受性，但对其作用机制知之甚少。中国科学院昆明植物研究所资源植物与生物技术重点实验室许建初研究团队发现重金属镉Cd胁迫会诱导水生植物大薸（Pistia stratiotes?L.）中烟酰胺含量上升，而外源添加适宜浓度的烟酰胺（200 μM）能有效缓解Cd（10 mg L-1）对大薸的毒害。在此基础上，研究团队整合了植物生理学、转录组学和代谢组学方法对外源烟酰胺缓解植物中Cd毒性的机制进行深入研究。     研究结果表明，外源烟酰胺启动了一系列生理、转录和代谢反应来减轻Cd对大薸光合作用的抑制和氧化胁迫。烟酰胺处理促进了Cd从大薸根部向叶片的转移，减轻了根部的Cd损伤。转移到大薸叶片中的Cd没有产生进一步的毒性，因为大量的Cd被隔离在细胞壁中，这可能是由木质素合成介导的。同时，烟酰胺处理还能通过诱导关键基因（如Chlorophyll A-B binding protein和PSII repair protein编码基因）修复Cd胁迫下叶片的光系统II，从而维持叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）。此外，叶片中抗氧化酶（如POD和CAT）活性和抗氧化物质（如Stachydrine和Curculigoside）的合成也被诱导以抵抗氧化胁迫。     该研究促进了对植物—重金属互作机制的理解，为提高植物对重金属的耐受性提供了理论基础。研究结果以Integrated ultrastructural,physiological,transcriptomic,and metabolomics analysis uncovers the mechanisms by which nicotinamide alleviates cadmium toxicity in Pistia stratiotes L.为题发表在国际期刊Journal of Hazardous Materials。中国科学院昆明植物研究所李雄博士为论文第一作者，许建初研究员为论文通讯作者，科研助理胡娜、杨婷工程师和多名研究生（李燕双、唐海生和黄旭梅）参与了该项工作。研究得到了中国科学院青年创新促进会（2020387）和云南省科学技术厅项目（202302AE090023、202205AM070007和202201AT070185）的支持。
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