甜高粱吸收重金屬鎘分子機理研究取得進展

作為最具前景的生物質能源植物之一，甜高粱具有莖稈含糖量高、生長周期短、生物量大、抗逆性強、適種範圍廣等優勢，利用其修復鎘污染土壤，莖稈和籽粒生產燃料乙醇，酒糟用於燃燒發電，鎘元素可從灰燼中加以回收。這樣鎘就從食物鏈轉移到能源鏈中，兼顧了生態和經濟效益。目前人們對甜高粱吸收鎘的研究較少，且多局限於生理層面。同時，甜高粱作為非超富集植物，吸收的鎘多儲存於根中，限制了其從污染土壤中提取鎘的能力。因此，解析甜高粱吸收鎘的生理和分子機理、促進鎘從根向地上部分的轉運是提高甜高粱吸收鎘能力的重要前提。

中國科學院植物研究所李銀心研究組對來自全球不同地區的96個甜高粱品系進行了篩選，發現不同品系對鎘的耐受、吸收和轉運能力具有很大差異。根據篩選結果，研究人員以鎘轉運能力強和弱的兩個甜高粱品系 H18 和 L69 （鎘轉運係數相差4倍）為材料，針對影響甜高粱吸收和轉運鎘的關鍵因素開展研究。研究結果表明， H18 通過共質體途徑吸收的鎘顯著高於 L69 ，且其根的內皮層中質外體屏障較 L69 更弱，木質部汁液中鎘的含量也更高。研究人員利用比較轉錄組學，通過分析兩個品系間的差異表達基因及鎘響應基因的異同，將鎘轉運能力差異主要聚焦到苯丙素和木質素合成以及細胞壁修飾過程。同時，一些金屬轉運蛋白基因的差異表達也可能是導致兩個甜高粱品系對鎘吸收和轉運能力不同的重要原因。由此，研究人員提出根的吸收、細胞壁的結合、內皮層的阻隔作用，以及木質部裝載等多個過程的協同作用決定了甜高粱對鎘的吸收和轉運能力。

該研究從生理、細胞和分子水平初步揭示了甜高粱吸收鎘的機理，鑒定出多個影響鎘吸收和轉運的關鍵基因，為利用生物技術提高甜高粱吸收鎘的能力提供了新的靶標和思路。

研究成果在線發表在Plant Biotechnology Journal上，關於甜高粱吸收鎘的品系篩選研究發表在Ecotoxicology and Environmental Safety上。該研究工作得到了國家重點研發項目和國家科技惠民計劃的資助。

影響甜高粱吸收鎘的關鍵因子。(A) 兩個甜高粱品系 H18 （高積累鎘）和 L69 （低積累鎘）在水培條件下，10 μM 鎘處理兩周後地上部分和根的圖片。(B) 影響甜高粱吸收和積累鎘的關鍵過程，包括：（a）鎘從外部進入根細胞；（b）細胞壁對鎘的結合；（c）內皮層質外體屏障；（d）木質部轉運； Heat map 圖展示的是差異表達基因中參與共質體途徑的轉運蛋白基因和參與凱氏帶形成的基因。

來源：中國科學院植物研究所

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