【摘 要】
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土壤镉污染问题日益严重,镉污染严重制约了农业生产,威胁人类健康。小麦是世界三大粮食作物之一,是我国重要粮食作物,关系我国粮食安全问题。镉小麦报道屡见不鲜,近年来我国小麦主产区耕地镉污染面积呈上升趋势。研究小麦镉毒抗性机制,培育小麦镉毒抗性新品种是应对耕地镉污染的重要策略。本文通过分析两个不同镉毒抗性小麦品种间的遗传特性,根部和地上部的生理生化变化,并通过全基因组重测序和转录组学分析,筛选到在镉胁迫
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土壤镉污染问题日益严重,镉污染严重制约了农业生产,威胁人类健康。小麦是世界三大粮食作物之一,是我国重要粮食作物,关系我国粮食安全问题。镉小麦报道屡见不鲜,近年来我国小麦主产区耕地镉污染面积呈上升趋势。研究小麦镉毒抗性机制,培育小麦镉毒抗性新品种是应对耕地镉污染的重要策略。本文通过分析两个不同镉毒抗性小麦品种间的遗传特性,根部和地上部的生理生化变化,并通过全基因组重测序和转录组学分析,筛选到在镉胁迫下表达量显著差异的Ta HMA2b-7A是造成这两种基因型小麦镉毒抗性不同的主要原因。通过转基因酵母和该基因在多品种中表达量分析,验证Ta HMA2b-7A转运基因在小麦品种镉毒抗性决定中发挥关键作用。主要研究结果如下:1.镉毒敏感型和镉毒抗型小麦品种的鉴定及其镉胁迫的生理响应根据叶片镉中毒程度,结合各项生理指标从442个小麦自然品系（Triticum aestivum L.）中筛选并确定郑麦1860（ZM1860）为镉毒抗型小麦品种,周麦32（ZM32）为镉毒敏感型小麦品种。ZM1860和ZM32在10μM镉处理下转运系数分别为0.07172和0.1271,ZM32的转运系数显著高于ZM1860。因此,镉从根部向地上部的长距离转运可能是两个品种镉毒抗性不同的机制。抗氧化系统检测显示,镉处理后ZM32地上部和根部的活性氧含量均显著高于ZM1860,ZM1860中的抗氧化酶活性更高;抗氧化酶活性更高可能是ZM1860具有更强的镉毒抗性的原因之一。2.镉胁迫下镉毒敏感型ZM32和镉毒抗型ZM1860的DNA序列变异分析和转录差异分析基于ZM1860和ZM32两个品种的全基因组重测序的DNA序列变异分析,ZM1860鉴定到22,352,980个单个核苷酸多态性位点（SNPs）,1,564,316个插入/缺失位点（In Del）;ZM32中鉴定出21,703,776个SNPs和1,547,608个In Dels。Ta HMA2b-7A基因在ZM1860和ZM32之间存在In Del差异。根据转录组测序结果,ZM1860和ZM32鉴定出1,168和8,732个响应镉胁迫的差异表达基因（DEGs）。对上述差异表达基因进行GO富集分析,有机酸生物合成过程、羧酸生物合成过程、细胞壁大分子的合成与代谢、氧化还原酶活性、金属离子跨膜转运活性富集显著;KEGG分析表明,根部和地上部的DEGs均在谷胱甘肽代谢途径富集最显著;Ta HMA2b-7A基因在镉胁迫条件下的ZM1860和ZM32品种之间表现出显著的差异变化。通过对Ta HMA2基因表达量和序列差异分析,筛选出在镉胁迫下ZM32根部表达量显著高于ZM1860的Ta HMA2b-7A作为候选基因。3.小麦Ta HMA2基因功能鉴定酵母的异源表达试验结果显示,异源表达Ta HMA2b-7A酵母的镉的抗性降低,表明Ta HMA2b-7A基因是镉的转运蛋白。镉处理后,Ta HMA2b-7A基因在7个镉毒敏感型小麦品种中的表达量显著高于7个镉毒抗型小麦品种。这说明Ta HMA2b-7A是造成ZM1860和ZM32镉从根部向地上部长距离运输差异的主要功能基因,且在镉毒敏感型小麦品种中广泛高表达。本研究表明了调节镉从根部向地上部长距离运输是镉毒抗型品种和镉毒敏感型品种的镉毒抗性机制之一,为进一步研究小麦积累重金属镉的作用机制提供了重要的理论依据,为镉污染耕地的利用提供了重要途径。
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