重金屬Cd在植物體內(nèi)的長距離運輸途徑是植物-土壤學經(jīng)典研究方向之一,受到國際環(huán)境/土壤領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注。Cd可以通過土壤-植物系統(tǒng)遷移、運輸和積累,已嚴重威脅農(nóng)產(chǎn)品安全乃至人群健康。因此,研究植物吸收、運輸和積累Cd的過程及其調(diào)控機理是發(fā)展污染控制與安全利用技術(shù)的重要基礎。為此,中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所土壤污染生態(tài)團隊,通過對不同Cd富集型作物進行嫁接、分根實驗及韌皮部環(huán)割干擾等方式,研究了土壤Cd從作物根到葉片的長距離運輸途徑及其調(diào)控機制。
研究發(fā)現(xiàn),嫁接在野生茄托魯巴姆上的茄、番茄和辣椒果實中的Cd含量降低了60-80%,且不影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì),而通過改善土壤pH值達到的效果往往低于50%。有價值的是,嫁接產(chǎn)生的低Cd富集性狀,可以在大宗糧食作物大豆的育種實驗中出現(xiàn):嫁接蒙導,不僅可以改良作物的農(nóng)學性狀,且Cd富集特性也隨之發(fā)生了改變。更重要的是,接穗種子的低Cd富集性狀可以在后代中穩(wěn)定維持,顯示了嫁接技術(shù)在遺傳育種方面的潛力。在此基礎上,基于DNA甲基化、miRNAs以及轉(zhuǎn)錄組高通量測序分析發(fā)現(xiàn),嫁接誘導的多數(shù)差異表達基因富集在硫代謝、谷胱甘肽代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝等與硫相關(guān)的代謝通路中。研究結(jié)果表明,作物體內(nèi)含巰基的小分子化合物或者含硫化合物的合成與代謝調(diào)控了Cd的運輸和積累;嫁接通過影響與硫相關(guān)的miRNAs的交流和DNA甲基化的改變(表觀遺傳修飾),將接穗獲得的低Cd富集性狀(表型)在子代中穩(wěn)定維持。以上研究結(jié)果完善了作物運輸和積累Cd的分子調(diào)控機制,為大面積重金屬污染農(nóng)田背景下Cd低積累的作物育種工作開辟了新思路。
上述系列成果:(1)以“Mechanism and stability of low cadmium accumulation in grafted soybeans induced by rootstocks”為題,發(fā)表在“Plant Soil”上,助理研究員孫梨宗和副研究員賈春云為共同第一作者,李曉軍研究員和臺培東研究員為共同通訊作者;(2)以“Maintenance of grafting reducing cadmium accumulation in soybean (Glycine max) is mediated by DNA methylation”為題,發(fā)表在“Science of the Total Environment”上,助理研究員孫梨宗和博士生薛晨陽為共同第一作者,臺培東研究員為通訊作者;(3)以“Grafting with an invasive Xanthium strumarium improves tolerance and phytoremediation of native congener X. sibiricum to cadmium/copper/nickel tailings”為題,發(fā)表在“Chemosphere”上,博士生薛晨陽和助理研究員孫梨宗為共同第一作者,臺培東研究員為通訊作者;(4)以“A reduction in cadmium accumulation and sulphur containing compounds resulting from grafting in eggplants (Solanum melogena) is associated with DNA methylation”為題,發(fā)表在“Plant Soil”上,博士生崔偉娜為第一作者,助理研究員孫梨宗為通訊作者。(5)以“Grafting as a mitigation strategy to reduce root-to-shoot cadmium translocation in plants of Solanaceae family”為題,發(fā)表在“Journal of Cleaner Production”上,博士生原紅紅第一作者,助理研究員孫梨宗為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。