烟草NtNRAMP3.1 基因克隆、表达及Cd转运特性分析

【目的】探究烟草(Nicotiana tabacum L.)自然抗性相关巨噬细胞蛋白(Natural resistance associated macrophage proteins,NRAMPs)在金属跨膜转运所起的作用。【方法】克隆NtNRAMP3.1基因,并对其序列和表达模式进行分析,同时通过酵母异源表达对其编码蛋白的Cd转运特性进行研究。【结果】烟草NtNRAMP3.1基因全长1542 bp,编码513个氨基酸残基的蛋白质。氨基酸序列比对和进化树分析发现,NtNRAMP3.1具有11个跨膜结构域,含有NRAMP家族特有的CTM结构域,与拟南芥AtNRAMP3和AtNRAMP4的亲缘关系最近,属于NRAMP家族的第一亚组。表达模式分析表明,NtNRAMP3.1在叶中的表达量高于根,但是其对不同重金属胁迫表现出不同的应答模式。酵母实验发现,异源表达NtNRAMP3.1基因显著提高了酵母细胞中Cd的积累量,增加了酵母对Cd的敏感性。【结论】NtNRAMP3.1基因的表达具有组织特异性,且受到多种重金属胁迫的调控,其编码的蛋白是Cd向内流入的转运蛋白。本研究结果为进一步分析NtNRAMP3.1基因在植物金属离子吸收转运中的功能提供了一定的理论依据。

不同改良剂对Cd污染土壤及水稻Cd吸收转运的影响

本研究以位于浙江省金华市某村农田重金属Cd轻度污染土壤为研究对象,以不添加改良剂为对照(CK),比较石灰类调理剂、甲壳素、生物炭等3种改良剂对水稻安全生产的影响。结果显示,不同改良剂处理提高了土壤pH值和有机质含量,但无显著变化;且均降低土壤中有效态Cd含量,其中生物炭和石灰类调理剂处理有效态Cd下降最显著,与对照相比分别降低了10.32%和8.29%。石灰类调理剂处理对水稻体内各部位的富集系数及转运系数均表现出最低。石灰类调理剂及生物炭用量在1 200 kg·hm^(-2)和2 250 kg·hm^(-2)下,可使稻谷籽粒(糙米)中的Cd含量控制在食品安全国家标准的限量以内。综上所述,石灰类调理剂处理对Cd污染农田土壤治理效果最好。

外源IAA作用下草地早熟禾中调控Cd长距离运输的关键基因表达及其代谢通路分析

为探究吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)对草地早熟禾中镉(cadmium,Cd)从根系到叶片长距离运输的影响及相关机制,分析IAA作用下草地早熟禾响应Cd胁迫的差异基因及代谢通路。以草地早熟禾为试验材料,在水培条件下,叶面喷施400 nmol·L^(-1)外源IAA并施加600μmol·L^(-1)Cd胁迫。进行株高、根长、根系和叶片Cd含量测定及转录组测序。利用实时荧光定量验证转录组数据准确性。结果表明,外源施加IAA可促进Cd胁迫下草地早熟禾株高和根长,抑制Cd从根系向叶片的长距离运输。转录组分析发现,Cd胁迫下共有1294条基因被IAA显著调控。实时荧光定量结果与RNA-Seq表达模式一致。GO富集分析表明,IAA可调控响应高温、低温、Cd离子及病毒的相关基因抵御Cd胁迫,其中分子伴侣蛋白HSP70、激酶MAPK和转录因子MYB46被明显上调。另外,外源IAA可上调谷胱甘肽代谢及木质素合成通路上的基因,可能增加谷胱甘肽合成及细胞壁木质化,进一步增加液泡区隔化和降低Cd进入细胞,从而减少叶片Cd含量。本研究可为IAA信号作用下Cd转运与分配机制研究提供参考。

不同土壤调理剂对黔中地区水稻Cd积累转运和产量的影响

为验证土壤调理剂在黔中酸性Cd污染稻田上的应用效果,通过田间小区试验,分析不同土壤调理剂对土壤pH值、总Cd、有效Cd、水稻各部位Cd积累量和水稻产量的影响。结果表明:相对于空白对照,施用石灰和11种调理剂使土壤pH值显著(P<0.05)提高0.25~1.02个单位,土壤有效态Cd含量显著(P<0.05)降低8.90%~22.14%。施用石灰和11种调理剂均可有效降低水稻各部位Cd含量和Cd富集系数,其中,糙米中的Cd含量显著(P<0.05)降低19.09%~85.45%,根、茎、叶、糙米中的Cd富集系数分别显著(P<0.05)降低16.62%~69.90%、18.40%~94.18%、25.82%~78.02%、18.02%~85.46%。石灰和11种调理剂均能显著(P<0.05)降低Cd从叶到穗轴和从稻壳到糙米的转运。应用11种调理剂的经济成本均高于石灰,其中,特贝钙土壤调理剂的经济成本最低,为7200元·hm^(-2)。综合分析降Cd效果和成本因素,试验条件下,以特贝钙土壤调理剂的效果最佳,可在黔中地区推荐使用。

炎症对脂肪酸负荷的肾细胞FAT/CD36表达的影响

目的:观察炎症是否干扰脂肪酸负荷的肾细胞[人系膜细胞(HMCs)和肾小管上皮细胞HK-2]脂肪酸转运蛋白(FAT/CD36)的表达。方法:分别给予不同浓度软脂酸(0 mmol/L、0.02 mmol/L、0.04 mmol/L、0.08 mmol/L、0.16 mmol/L、0.32 mmol/L)处理HMCs和HK-2细胞24 h。采用实时定量PCR和Western blotting方法检测细胞FAT/CD36的mRNA及蛋白的表达。进一步选取0.04 mmol/L软脂酸联合炎症因子(25μg/L TNF-α或20μg/L IL-6)处理肾细胞24 h后,观察炎症因子对肾细胞FAT/CD36 mRNA及蛋白表达的影响;油红O染色及酶比色法检测细胞甘油三酯(TG)水平;ELISA检测细胞游离脂肪酸(FFA)含量。结果:软脂酸呈浓度依赖性上调HMCs和HK-2细胞FAT/CD36 mRNA和蛋白表达。炎症因子明显刺激脂肪酸负荷的肾细胞FAT/CD36mRNA和蛋白表达进一步增加。油红O染色及胞内TG和FFA含量测定显示炎症因子促进肾细胞脂质积聚。结论:炎症上调脂肪酸负荷的肾细胞FAT/CD36表达,加重胞内脂质积聚。

不同积累型苋菜(Amaranthus mangostanus L.)镉吸收转运特征差异性研究

【目的】比较高积累型苋菜品种Tianxingmi与低积累型苋菜品种Zibeixian在Cd胁迫下Cd吸收转运特征差异性,揭示苋菜品种Tianxingmi高积累镉的机理。【方法】采用水培试验,添加代谢抑制剂来研究两品种苋菜根系吸收Cd的主要途径。分别在30μmol/L Cd Cl2处理4 h、8 h、16 h、1 d和2 d采样测定,采用非损伤微测技术(Non-invasive micro-test technique,NMT),进行植物活体动态测试,调查、测量两品种苋菜根系Cd^(2+)离子流特征,比较了两品种对代谢抑制剂的反应。【结果】在30μmol/L Cd Cl2处理1 d后,Tianxingmi生物量达到最大值5.90 g/plant,是Zibeixian生物量的二倍;Tianxingmi根、茎和叶中Cd浓度分别为609、254和62.3mg/kg,分别是Zibeixian的1.4倍、1.9倍和1.6倍,地上部和全株的Cd累积量分别高达602.0、1308μg/plant;Tianxingmi富集系数(BCF)与转运系数(TF)分别为Zibeixian的2.1倍和1.5倍,这些结果两品种均表现出显著性差异(P<0.05)。NMT技术测定两品种根系Cd^(2+)离子流,通过扫描位点测定发现,距根尖0~300μm范围内两品种苋菜根系Cd^(2+)内流最强且差别最大,并在此做定点位点测定,发现Tianxingmi根系Cd^(2+)内流是Zibeixian根系Cd^(2+)内流的3.75倍,说明了两品种的富集特征与NMT结果一致。添加代谢抑制剂处理显著降低了高积累型Tianxingmi各器官中的Cd浓度,富集系数(BCF)与转运系数(TF),以及根系Cd^(2+)内流(P<0.05),主动吸收特征明显,而对低积累型Zibeixian的相关生理指标影响不大。【结论】两苋菜品种Cd吸收转运特征均表现出显著性差异。Tianxingmi具有更强的Cd吸收和向地上部转运与累积能力,并且根系对Cd的吸收与转运是主动需能的过程,共质体途径在Cd进入Tianxingmi根系并向地上部运输的过程中起着主要作用。

叶面喷施有机水溶肥锌与无机锌对水稻生长及镉吸收转运的影响

采用镉(Cd)污染土壤盆栽试验,研究叶面喷施有机水溶肥锌(Zn)和无机Zn对水稻生长及Cd吸收转运的影响,为Cd超标污染农田土壤的修复提供科学依据。结果表明,叶面喷施Zn肥总体上可提高稻谷产量,降低水稻对Cd的吸收和糙米Cd含量。其中,以2g/L无机Zn处理稻谷产量最高,较不施Zn处理(对照)增产11.36%,以1g/L有机水溶肥Zn处理糙米中Cd含量最低,较对照下降45.5%。有机水溶肥Zn处理增产效果(-3.05%~4.24%)低于无机Zn处理(7.63%~11.36%),降低糙米中Cd含量的效果(26.3%~45.5%)高于无机Zn处理(23.2%~41.4%)。Cd在水稻各部位的分布规律为根>茎>叶>稻壳>糙米;Zn的分布规律:低质量浓度Zn(1g/LZnSO4)处理表现为根>叶>茎>稻壳>糙米,高质量浓度Zn处理表现为叶>根>茎>稻壳>糙米。有机水溶肥Zn处理Cd转运系数高于无机Zn处理,前者是后者的1.2~1.6倍,但从地下部分转运至糙米中的Cd含量比例以有机水溶肥Zn处理低于无机Zn处理,有机水溶肥Zn处理糙米中Cd含量占根中Cd含量的0.968%~1.385%,而无机Zn处理为1.120%~1.271%。综合考虑,以叶面喷施1g/L有机水溶肥Zn效果最佳。

小麦幼苗根系形态对镉胁迫的响应

为了研究镉(Cd)在小麦体内的吸收、转运过程,以及Cd对小麦根系形态的影响,本文通过水培试验分析了小麦在5种Cd水平下(0、0.5、5、50、200μmol·L^-1)处理3、6、11、17 d和23 d后各项生长指标的变化,并用荧光显微镜观察了Cd处理17d后小麦根系形态的变化情况。结果表明,小麦幼苗对Cd的吸收能力与Cd浓度成反比关系,且在Cd0.5处理下,小麦对Cd的吸收和转运的能力显著高于其他处理。随着Cd处理浓度的增加,小麦幼苗的生物量、株高、总根长、根体积、总根尖数目逐渐减小,根系平均直径逐渐增加。相关性分析结果表明,小麦幼苗对Cd的吸收能力与平均直径呈显著正相关,对Cd的转运能力仅与平均直径呈显著负相关。进一步通过荧光显微镜观察,结果显示Cd处理可诱导小麦幼苗根系皮层细胞增多、薄壁细胞增大以及内皮层细胞壁木质素的沉积。Cd诱导的根系直径增粗对小麦Cd的吸收及转运都起着非常重要的作用。

西罗莫司抑制脂肪酸摄取改善小鼠肝脏脂质积聚

目的:研究西罗莫司对小鼠肝脏脂质积聚的影响及机制初探。方法:6~8周龄雄性C57BL/6J小鼠,随机分为3组:A组为普通饮食组(n=12),B组为高脂饮食组(n=9),C组为高脂饮食加隔天注射西罗莫司组(n=7),喂养14周。全自动生化分析仪检测血清生化指标。酶联免疫吸附法和酶偶联比色法分别检测肝脏游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)和甘油三酯(triglyceride,TG)的含量。Western blot检测脂肪酸转运酶(fatty acid translocase,FAT/CD36)蛋白的表达水平。荧光显微镜观察原代肝细胞对荧光标记FFA的动态摄取。结果:与A组相比,B组小鼠体质量(q=6.68,P=0.000),血清TG(q=4.88,P=0.045),高密度脂蛋白(high-density lipoprotein,HDL)(q=6.311,P=0.002),谷草转氨酶(aspirate aminotransferase,AST)(q=8.84,P=0.001)水平明显增高,肝脏组织TG(q=14.4,P=0.000),FFA(q=18.0,P=0.000)也明显增高。C组小鼠较B组体质量(q=7.99,P=0.000),血清TG(q=4.636,P=0.050),AST(q=5.16,P=0.016)及肝脏TG(q=8.91,P=0.000)和FFA(q=14.1,P=0.000)都显著降低。Western blot结果显示C组小鼠肝脏CD36的蛋白表达水平较B组明显降低。FFA动态摄取实验通过定量荧光强度显示西罗莫司能明显抑制肝细胞对FFA的摄取速度(各时间点P均<0.05)。结论:西罗莫司能抑制肝细胞对外源性FFA的摄取,减轻肝脏脂质积聚,其作用机制可能与CD36相关。

肾脏细胞CD36在炎症因子诱导的脂肪酸摄取及脂质沉积中的作用

慢性炎症和脂质代谢紊乱是慢性肾病的重要特征,炎症因子影响肾脏细胞脂质代谢的作用机制尚不清楚,该研究旨在探讨炎症因子是否通过上调脂肪酸转运酶CD36的表达促进肾脏细胞脂肪酸摄取及脂质沉积。通过给予HMCs及HK2细胞肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白介素6(interleukin-6,IL-6)刺激处理24 h,应用qRT-PCR检测CD36的表达量,酶法检测HK2细胞内的甘油三酯(triglycercide,TG)水平。构建CD36过表达的细胞模型,使用荧光标记脂肪酸,观测细胞对外源性脂肪酸的摄取速率。然后利用小RNA干扰技术,构建CD36低表达的细胞模型,检测CD36低表达时细胞脂肪酸摄取速率及胞内甘油三酯、游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)含量,葡萄糖调节蛋白78(GRP78)及内质网跨膜激酶(IRE1)的m RNA表达量。结果显示,炎性因子TNF-α和IL-6促进HMCs及HK2细胞TG的累积增加,并刺激细胞CD36的表达;CD36过表达促进HMCs及HK2细胞对FFA的摄取。当CD36表达被干扰后,炎性因子诱导的肾脏细胞TG及FFA的累积增加、FFA的摄取速率、细胞内GRP78、IRE-1的m RNA表达量及ROS含量均受到了抑制。该项研究表明,在HMCs及HK2细胞中,炎症因子可能通过促进CD36表达,导致细胞对FFA摄取增多,进而引起细胞脂质积聚;干预CD36能够改善炎性因子引起的脂质积聚、内质网应激以及细胞损伤,提示CD36可作为慢性肾脏疾病的潜在治疗靶点。

生物炭与氮肥复施对镉污染水稻土修复效应及机制

重金属镉(Cd)污染已严重影响土壤健康,威胁农产品生产安全利用.因此采用盆栽试验,以Cd污染水稻土为供试土壤,研究生物炭(BC)、不同氮肥施用水平2.6 g·pot^(-1)(N1)、3.5 g·pot^(-1)(N2)、4.4 g·pot^(-1)(N3)和生物炭配施氮肥(BCN1、BCN2、BCN3)对土壤Cd形态、水稻体内Cd富集和转运以及土壤酶活性的影响,并通过高通量测序分析土壤微生物菌群变化和微生物间复杂的相互作用关系.结果表明,生物炭配施氮肥处理下土壤Cd由活性较高的可交换态向活性低的残渣态转化,可交换态Cd含量较对照降低了6.2%~14.7%,残渣态Cd含量提高了18.6%~26.4%.单一氮肥处理增强了水稻根部Cd的富集能力,提高了22%~33.5%,单一生物炭和配施氮肥处理下水稻根部Cd的富集能力、Cd从茎叶向稻壳和稻壳向稻米的转运系数均下降.BCN处理总体上促进了土壤酶活性(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶),MiSeq测序显示生物炭配施氮肥提高了土壤细菌主要物种相对丰度(如Acidobacteriales、Solibacterales、Pedosphaerales和Nitrospirales),共现网络分析表明N、BC和BCN处理下土壤细菌网络复杂性均增强.总体来看,生物炭配施氮肥降低了土壤Cd活性,抑制了水稻对Cd的富集和转运,一定程度上改善了土壤生态环境质量,为重金属Cd污染农田土壤修复提供了技术支撑.

硫酸亚铁和硝酸铁施用对根际土壤-水稻系统中镉运移的影响

我国稻田镉(Cd)污染治理刻不容缓.氮(N)、硫(S)和铁(Fe)的生物地球化学循环,以及Fe-N和Fe-S循环耦合体系,都与土壤-水稻系统中Cd运移密切相关.以N、S和Fe对水稻生长的营养供给为切入点,研发抑制稻米Cd累积的营养型阻控技术及产品,势必能为稻田Cd污染治理提供新的解决途径.本文在前期研究成果的基础上开展根际袋-盆栽试验,分析硫酸亚铁(FeSO4)和硝酸铁[Fe(NO3)3]处理条件下根际土壤中Cd活性变化与水稻体内Cd转运规律,探索糙米Cd累积的影响因素及制约机制.结果表明,FeSO4和Fe(NO3)3处理都显著减小了根际土壤中有效态Cd(NH4Ac-Cd)含量,且前者减小的幅度(55.6%)小于后者(76.0%);FeSO4和Fe(NO3)3处理都明显改变了水稻体内Cd分布特征,但前者增大了糙米Cd含量(0.6mg·kg-1),而后者却减小了糙米Cd含量(0.1mg·kg-1).根表铁膜对Cd的吸附或与Cd共沉淀、水稻根、茎和叶对Cd的累积量增大以及根、茎和结节对Cd的转运能力增强,是导致FeSO4处理中糙米Cd含量增大的重要原因;Fe(NO3)3处理中糙米Cd含量减小,则可归结为无定形铁矿物对Cd的吸附或与Cd共沉淀、铁硫化物与Cd共沉淀、茎和结节对Cd的累积量减小以及根、叶和结节对Cd的转运能力减弱.本研究成果将为后期营养型阻控产品及施用技术研发提供科学依据,并为我国稻田Cd污染治理提供重要参考.