高镉积累型和低镉积累型水稻幼苗对短时间(6 h)镉胁迫响应的差异特征研究

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水稻(Oryza sativaL.)是我国第一大粮食作物,在我国超过65%的人口以水稻为主食,镉(Cd)污染不但对水稻产量造成极大的影响,对食品安全也造成极大的威胁。研究表明镉在不同水稻亚种籽粒中的积累存在很大的差异,通常籼稻>粳稻,关于水稻镉吸收和转运方面国内外已有大量报导,但关于短时间镉处理对籼稻和粳稻苗期的在转录组水平不同影响的报导很少。本实验以高镉积累型水稻‘Kasalath’和低镉积累型水稻‘Nipponbare’为材料,通过生理、表型及转录组分析比较了两个品种水稻对短时间Cd胁迫的响应机理。所得结果如下:(1)在短时间(6h)Cd处理下,与对照相比,两种水稻株高、根长、鲜重均受到显著抑制,随时间延长,抑制作用越明显,且‘Kasalath’比‘Nipponbare’受抑制更显著;Cd处理后两个水稻品种地上部和根部积累的镉含量均显著上升,随时间延长,累积的镉含量越高,且‘Kasalath’累积的Cd 比‘Nipponbare’显著增多,但在短时间(6h)处理下Cd积累无显著差异。进一步测定了 Cd处理6h后两个水稻品种根系H2O2、MDA含量及根系活力,结果显示短时间(6 h)Cd处理下两个水稻品种中H2O2、MDA含量显著增加,根系活力均显著降低,但两个品种无显著差异。比较两个水稻品种抗氧化酶活性和谷胱甘肽代谢产物及叶绿素含量,结果显示与对照相比两个水稻品种SOD、POD和CAT活性以及Cys、PCs、叶绿素含量均显著增加。‘Nipponbare’中抗氧化酶活性及叶绿素含量均高于‘Kasalath’,而‘Kasalath’中Cys、PCs含量显著高于‘Nipponbare’。(2)采用 Illumina 测序平台对四个处理(K-Con、K-Cd、N-Con、N-Cd)的 cDNA进行了测序。构建了四个比较组(K-Convs N-Con,K-Convs K-Cd,N-Convs N-Cd,K-Cd vs N-Cd)进行转录组比较分析,结果显示,四个比较组均检测出大量差异表达基因(DEGs)(FDR<0.05且|log2(FC)|>1)。镉处理与对照相比,两个水稻品种检测到的DEGs数量均显著上升,在‘Kasalath’和‘Nipponbare’中分别检测到5963和6339个DEGs。通过GO富集分析和KEGG途径分析对DEGs进行功能分类。结果显示大量DEGs在谷胱甘肽代谢、抗氧化、光合作用等途径富集,但两个水稻品种DEGs富集表现出差异。通过热图分析两个品种水稻对短时间镉处理响应不同的关键基因,结果显示,与对照相比,镉处理的‘Kasalath’中DEGs主要富集在谷胱甘肽代谢途径,而‘Nipponbare’中DEGs主要富集在抗氧化、光合作用等途径。综上,‘Nipponbare’通过提高抗氧化能力和增强光合作用抵御Cd胁迫,而‘Kasalath’通过提高谷胱甘肽代谢能力在根部积累更多的Cd,减少Cd向地上部的转运。
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