CN109644723A - 一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法 - Google Patents

一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法 Download PDF

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王诗琴
谭文荣
林宏辉
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G7/00—Botany in general
    • A01G7/06—Treatment of growing trees or plants, e.g. for preventing decay of wood, for tingeing flowers or wood, for prolonging the life of plants

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Abstract

本发明公开一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法，重金属镉对拟南芥的生长影响较为明显，而采用植物激素油菜素内酯(BR)处理能够缓解金属镉对拟南芥的胁迫作用，明显提升植物对金属镉的耐受性，但这种作用存在一定的浓度效应，因此无法通过直接敲除或过表达与BR相关的基因来提高拟南芥对金属镉的耐受性。通过在拟南芥的培养基质中施加浓度为1nM～10nM的油菜素内酯，有望改良拟南芥对重金属镉胁迫的耐受性，降低重金属给拟南芥自身带来的危害以及农作物中重金属污染对人类健康的危害；拟南芥耐受性的提升不仅有利于促进自身生长，提供生物量，而且可用于重金属污染植被修复。

Description

一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法
技术领域
本发明具体涉及一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法。
背景技术
近年来，土壤-植物系统的重金属污染状况日趋严重，土壤重金属对植物的胁迫具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性和长期性特点，重金属在植物根、茎、叶及籽粒中大量累积，不仅严重地影响了植物的生长和发育，而且会进入食物链，危及人类的健康。因此，土壤重金属污染引起社会广泛关注。镉作为植物生长发育非必需的金属元素，它对植物生长的胁迫主要取决于土壤中镉的含量。在镉胁迫下，植物会出现茎叶黄化、叶片脱落的情况，且出现植物的植株高度、叶片长度、干物质的量等随着镉浓度的不断升高而呈现明显下降的现象。研究发现，镉存在着强毒性与可迁移性，被植物根系吸收后很容易迁移至籽粒中，并且镉在生物体内的半衰期较长且不易被降解。美国毒物管理委员会(ATSDR)将镉命名为第六位允许摄入量，世界卫生组织规定应≤1μg/(kg·d)。
为了抵御重金属胁迫对自身的不良影响，植物演化形成一系列的耐受机制来进行修复。然而，植物的修复过程受到自身对重金属耐受阈值的限制。如何有效提高植物耐受能力实现植物自修复成为本领域技术人员关注的焦点和亟待解决的难题。
发明内容
鉴于上文所述，本发明提供一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法，其特征在于，在拟南芥的培养基质中施加浓度为1nM～10nM的油菜素内酯。
本发明采用拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为研究对象，拟南芥作为很多研究植物学实验室中最基础的实验材料，被科学家誉为“植物中的果蝇”，其具有植株小、结子多且分布范围广的优点。拟南芥是目前世界上研究最为透彻的物种，大量的拟南芥基因功能得到阐明，已成为一种典型的模式植物。因此，拟南芥的研究对于其他植物的研究有着极大的参考价值，为利用模式物种信息对栽培作物改良奠定了良好的基础经过研究发现，重金属镉对拟南芥的生长影响较为明显，而采用植物激素油菜素内酯(BR)处理能够缓解金属镉对拟南芥的胁迫作用，明显提升植物对金属镉的耐受性。但是这种作用存在一定的浓度效应，因此无法通过直接敲除或过表达与BR相关的基因来提高拟南芥对金属镉的耐受性。油菜素内酯在提高镉胁迫下拟南芥耐受性中应用时应当维持合适的浓度，如果选择的BR浓度过高，刺激强度过大会反过来抑制拟南芥的生长情况。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过在拟南芥生长过程中施用合适浓度的油菜素内酯，有望改良拟南芥对重金属镉胁迫的耐受性，降低重金属给拟南芥自身带来的危害以及农作物中重金属污染对人类健康的危害；拟南芥耐受性的提升不仅有利于促进自身生长，提供生物量，而且可用于重金属污染植被修复。相比传统物理手段具有成本耗能低、见效明显的优势，相比化学手段更加环保、便捷，使用得当也不会带来副作用，有利于实现大规模的推广和应用。
附图说明
图1为金属镉、金属铜、金属铅这三种重金属在不同浓度梯度胁迫下拟南芥植株的表型分析图。
图2为不同植物激素作用下受金属镉胁迫的拟南芥植株的表型分析图。
图3为拟南芥植物激素BR突变体的表型分析图。
具体实施方式
为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。
实施例：
本实施例主要包括以下三部分：
(一)、不同重金属种类对拟南芥生长影响的研究：
本实施例选用经过灭菌处理的拟南芥Columbia-0生态型种子作为实验材料，按照如下表1配制1/2MS培养基，并在每一个平板中加入30ml的1/2MS培养基，然后将种子撒到的培养基中并用封口膜将平板封好；然后放入4℃冰箱春化2天，再置于温度为23℃，光周期为16h光照和8h黑暗，光照强度为8 000Lx的人工植物气候室内，竖直培养4天；
待4天的培养期结束后，筛选发育良好且长度差不多的植株移到重金属胁迫培养基和CK培养基。所述重金属胁迫培养基分别选择如下表2所示不同浓度梯度的CdCl2·溶液、CuSO4溶液和PbCl2溶液作为胁迫条件，配制溶液是将各种重金属盐直接溶解于水中再进行灭菌处理；所述CK培养基中选择加入相同体积的灭菌水(即0μmol/L的CdCl2·溶液、CuSO4溶液和PbCl2溶液)作为空白对照。待完成转移植株后，在培养基底部用记号笔标记根部的初始位置；培养3天后观察并记录拟南芥的生长情况，拟南芥的表型分析如图1所示，并且采用IMAGEJ软件计算根部长度，得到如表3所示统计数据。
表1培养基成分及PH
培养基成分及PH 用量
MS固体培养基 2.165g/L
2％蔗糖 20g/L
PH调至 PH＝5.8
0.5％琼脂粉(Agar) 5g/L
表2重金属处理及浓度
表3三种重金属胁迫下的根长统计
从表型和根长来看，相比金属铜和金属铅的胁迫来讲，金属镉对拟南芥的胁迫最为严重。因此本实施例后续选取重金属镉进一步研究。
(二)不同植物激素种类对金属镉胁迫下拟南芥生长影响的研究；
采用与前述相同的操作进行为期4天的竖直培养；待4天的培养期结束后，筛选发育良好且长度差不多的植株移到分别添加不同种类植物激素的重金属胁迫培养基和CK培养基中。经研究发现100μmol/L浓度对过低不会造成CK组死亡，200μmol/L浓度造成所有处理组均死亡，因此选择了介于二者之间的中间浓度，即重金属胁迫培养基中CdCl2的浓度设置为125μmol/L，植物激素的添加量相同但浓度不同，分别为1nM油菜素内酯(BR)，1μM乙烯(Acc，Eth)，0.5μM脱落酸(ABA)和5μM赤霉素(GA)作为植株处理条件；所述CK培养基中选择加入相同体积的浓度为125μmol/L的CdCl2溶液(溶剂采用灭菌水)(即0μmol/L的植物激素)作为空白对照；待完成转移植株后，在培养基底部用记号笔标记根部的初始位置；培养3天后观察并记录拟南芥的生长情况，拟南芥的表型分析如图2所示。并且记录植株的存活率(存活率＝死亡数/总数×100％)，得到如表4所示的统计数据。判断植株死亡的依据为植物幼苗子叶完全白化，此时植物基本不存在叶绿素无法通过光合作用维持生命。
表4培养7天后的存活率
CK BR？ ACC GA ABA
Control 100％ 100％ 100％ 100％ 100％
Cd2+Stress 44.44％ 94.44％ 61.11％ 50.00％ 44.44％
根据实验结果发现，拟南芥在油菜素内酯(BR)刺激下对重金属镉的耐受性明显提高，且生长情况也明显优于在其他几种植物激素作用下生长的植株。相比之下在BR环境下生长的植株叶片更大更绿，且存活率明显提高。
(三)拟南芥BR相关基因突变体生长影响和生理响应以及最适BR浓度研究；
本实施例选择拟南芥Columbia-0生态型种子以及与BR基团相关的两种突变体，其中将BR增强突变体记作bes1-D，BR合成基因缺失突变体记作det-2。
1、生长影响：
采用与前述相同的操作进行为期4天的竖直培养；待4天的培养期结束后，筛选发育良好且长度差不多的植株一并移到重金属胁迫培养基中，所述重金属胁迫培养基中CdCl2的浓度为125μmol/L；待完成转移植株后，在培养基底部用记号笔标记根部的初始位置；培养3天后观察并记录拟南芥的生长情况，拟南芥的表型分析如图3所示，并且记录植株的质量数据，得到如表6所示的统计数据。
表6三种植株的质量分析
种类 数量/个 总质量/克 平均质量/克
Col-0 52 0.4411 0.00848
besl-D 50 0.5585 0.01117
det2 38 0.2271 0.00598
2、生理响应：
研究发现植物在逆境胁迫或衰老过程中，细胞内活性氧代谢的平衡被破坏而有利于活性氧的积累，活性氧积累的危害之一是引发或加剧膜脂过氧化作用，造成细胞膜系统的损伤，而丙二醛(MDA)是细胞膜脂肪过氧化的程度，因此MDA产生数量的多少能够代表膜脂过氧化的程度。本实施例中MDA含量的测定采用用硫代巴比妥酸(TBA)法，得到如下表7所示结果。
表7三种植株氧化损伤程度
从三种不同的拟南芥植株的表型分析来看，突变体bes1-D叶片生长得更加细长且弯曲，但相比另外一种突变体det2和野生型来讲bes1-D的叶片有黄化的趋势且整个植株质量也明显重于其他两种。从三种不同的拟南芥植株的氧化损伤的结果来看，bes1-D受胁迫的情况最严重。由此可知，虽然BR对拟南芥耐受性有影响，但是并不能直接敲除或过表达与BR相关的基因来实现提高其对金属镉胁迫的耐受性，而应该寻找适宜浓度的BR或者控制BR基因的合成量来增强植物对重金属镉胁迫的耐受性。经研究得出，BR浓度介于1nM～10nM时能够使得拟南芥表现出对重金属镉胁迫的耐受性提高；当BR浓度小于1nM的时候，上述作用并不明显，当BR浓度大于10nM的时候，BR不仅无法提高拟南芥对重金属镉胁迫的耐受性反而会抑制拟南芥的生长。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (1)

1.一种提高拟南芥对重金属镉耐受性的方法，其特征在于，在拟南芥的培养基质中施加浓度为1nM～10nM的油菜素内酯。
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