不同辣椒品种镉吸收差异及其积累关键基因表达研究

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近年来,农田、菜地土壤重金属超标使得蔬菜质量安全受到威胁,选择合适的农艺调控措施对污染土壤进行边生产边修复,是保障重金属污染菜地安全生产一项可行的措施。辣椒(Capsicum annuum L.)是世界上最大的调味料,也是我国人民喜食的一种蔬菜。在蔬菜作物中辣椒种植规模和效益居蔬菜作物前列。但由于土壤镉(Cadmium Cd)污染问题,各地辣椒果实相继出现了不同程度Cd超标现象,严重制约着辣椒的生产和发展。本文采用土培试验研究了4种基因型辣椒品种在不同土壤Cd浓度下(0、5和10 mg·kg-1)的生长、Cd含量和积累差异,并采用qRT-PCR技术分析测定Cd吸收、积累关键基因家族的表达量,以期从分子层面上解释辣椒种内Cd吸收差异,明确不同辣椒品种Cd吸收、积累的内在机理。主要的结果如下:(1)Cd胁迫下,辣椒地上部生物量受到抑制,品种X15、X45、X55根系干重均较对照有增加的趋势,且X15、X55分别较对照增加了8.13%~33.38%、19.54%~63.61%,当Cd处理浓度为10 mg·kg-1品种X45根系干重较对照增加了17.95%。品种X39根系对Cd胁迫较敏感,其根系生物量随Cd处理浓度增加而降低。在同一Cd浓度处理下,品种X39根、茎、叶Cd含量均显著高于其余品种,品种X15的果实Cd含量最高,且在Cd处理为5 mg·kg-1,较其它品种果实Cd含量高17.42%~45.42%;在Cd为10 mg·kg-1,较其它品种果实Cd含量高9.18%~35.73%。果实中Cd含量由Cd向地上部转运能力和地上部Cd分配能力共同决定。辣椒对Cd的积累量随Cd处理浓度的增大而增大,且不同部位Cd积累能力为茎>根>叶>果,不同品种间地上部Cd积累量大小为X15>X45>X55>X39。(2)品种X39、X45的Pn值随Cd处理浓度的增大有下降趋势,品种X15、X55的Pn值先增大后减小。Cd胁迫下,辣椒叶片的Tr(蒸腾速率)、Gs(气孔导度)变化同Pn(净光合速率)存在一致性。随着Cd浓度增加,品种X15、X45、X55的Pn值减小、Ci(胞间CO2浓度)值增加,说明品种X15、X45、X55光合作用减小是由非气孔因素导致的。(3)Cd胁迫下,各品种叶片、根系POD(过氧化物酶),CAT(过氧化氢酶)活性整体上高于对照。随着Cd浓度的增加,品种X15、X39叶片POD酶活性、品种X39、X45叶片CAT酶活性和品种X39叶片、品种X55根系SOD(超过氧化物歧化酶)酶活性出现先增加后减小的趋势。除品种X39、X55根系外,各品种根系、叶片在Cd胁迫下MDA(丙二醛)含量均高于对照。(4)Cd胁迫下,在不同品种辣椒的根、叶和果实中亚细胞组分Cd含量大小为:可溶性组分>细胞壁>细胞器,且可溶性组分、细胞壁、细胞器分配比例在辣椒根中表现为:52.06%~82.87%、14.29%~37.65%、2.83%~13.96%,叶中表现为:51.29%~65.48%、24.32%~40.11%、7.86%~19.71%、果中表现为41.71%~57.64%、27.76%~38.28%、6.06%~27.76%。茎中,Cd主要分布在品种X15、X45、X55的细胞壁中,占细胞总Cd量40.9%~54.52%;在品种X39中主要分布在可溶性组分中,占细胞总Cd量的53.4%~53.8%。随Cd处理浓度增大,各品种的各部位各亚细胞组分Cd含量增大(除Cd品种X39在细胞器中含量外)。相较于其他品种X39各器官的可溶性Cd含量最高,且在亚细胞组分Cd含量分配比例最高,说明品种X39受Cd毒害影响最大。辣椒果实各Cd形态含量随着Cd处理浓度的增大而增加,Cd在辣椒果实中以氯化钠和醋酸态为主,占果实总Cd量的72.36%~79.79%。(5)NRAMP、HMA家族基因在不同辣椒品种间具有不同的表达模式。总的来说,品种X15中在不同部位间NRAMP5在果实中相对表达量最高,NRAMP2、HMA2相对表达量表现为:茎>根>果>叶,品种X39中NRAMP2、3、5、6相对表达量在不同部位表现为茎>根>果>叶,而在品种X45、X55中,NRAMP2、3、5、6相对表达量在不同部位间表现为根>叶>茎,比较各辣椒品种不同部位Cd浓度,得出NRAMP2、3、5、6在茎中的高表达是Cd在辣椒地上部高转运、积累的原因之一。(6)Cd胁迫下,NRAMP1、2、3、5、6,相对表达量在品种X15、39茎中分别是品种X45、X55的1.25~682.82、1.3~33、1.15~16.42、3.92~62.37、1.44~17.85倍,不同品种间Cd浓度排序为X39、X15>X55、X45,说明不同品种间NRAMP、HMA的高表达水平是Cd在植株体内含量高低的原因之一。NRAMP5在品种X15茎中相对表达量是其余品种的4.47~62.37倍、5.57~11.86倍,果实中相对表达量是其余品种的55.96~111.93、13.46~48.07倍,且品种X15的TF(根系-果实)、TF(茎-果实)值是其余品种的1.9~2,1.59~1.94倍,说明NRAMP5有可能是造成Cd在辣椒植株体内高转运、果实中高积累的关键基因。
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