【成果回顾】JHM南农崔瑾：NMT发现氢气提升Zn抑制植物吸Cd速率为氢气调节锌/铁转运蛋白的离子吸收偏好→降低镉积累提供证据

基本信息

主题：NMT发现氢气提升Zn抑制植物吸Cd速率为氢气调节锌/铁转运蛋白的离子吸收偏好→降低镉积累提供证据

期刊：Journal of Hazardous Materials

影响因子：9.038

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：IRT1 and ZIP2 were involved in exogenous hydrogen-rich water-reduced cadmium accumulation in Brassica chinensis and Arabidopsis thaliana

作者：南京农业大学崔瑾、吴雪

检测离子/分子指标

Cd²⁺

检测样品

① 小白菜根伸长区（距根尖600 μm根表上的点）和成熟区（距根尖1600 μm根表上的点）

② 拟南芥根伸长区（距根尖200 μm根表上的点）和成熟区（距根尖600 μm根表上的点）

中文摘要

通过Cd（镉）浓度，Cd²⁺荧光染色，NMT（非损伤微测技术）对Cd吸收进行分析，结果表明，HRW（hydrogen-rich water，富氢水）在降低小白菜幼苗根部对Cd的吸收方面具有显著的积极作用。BcIRT1（铁调节转运蛋白1）和BcZIP2（锌调节转运蛋白2）是小白菜中主要的Cd转运蛋白，但它们在HRW减少Cd吸收过程中的作用仍然未知。本研究验证了IRT1和ZIP2在白菜和拟南芥中HRW减少Cd吸收中的功能。在拟南芥中的异源和同源表达表明，HRW显著降低了野生型（Col-0）和转基因拟南芥IRT1和ZIP2中的Cd含量，但irt1和zip2突变体除外。NMT检测表明，HRW不仅降低了Cd²⁺在WT和转基因株系根部的内流，而且增强了Zn和Cd之间的竞争。综合来看，HRW诱导的植物Cd积累减少可能是通过抑制BcIRT1和BcZIP2的表达，影响BcIRT1和BcZIP2对离子吸收的偏好性导致的。

离子/分子流实验处理方法

预处理

① 2日龄小白菜幼苗在0、50% HRW中处理1 d

② 15-17日龄拟南芥幼苗在0、50% HRW中处理1 d

实时处理

6.25 μM/L FeSO₄ 或7.5 μM/L ZnSO₄实时处理10日龄拟南芥幼苗

离子/分子流实验结果

HRW预处理使小白菜根伸长区和成熟区Cd²⁺流速分别降低了21.01%和31.97%（图1）。

图1. 50 μM Cd处理下HRW预处理对小白菜根部伸长区（A, C, E）和成熟区（B, D, F）Cd²⁺流速的影响。正值代表离子外排，负值代表离子吸收。

研究发现，除irt1-和zip2-突变体外，HRW预处理显著降低了拟南芥根伸长区Cd²⁺内流（图2）。HRW使WT和IRT1-和ZIP2-转基因拟南芥（图2G, H）的Cd²⁺平均内流速率从30.34 %显著降低到34.91 %。

图2. 50 μM Cd处理下HRW预处理对转基因拟南芥根伸长区Cd²⁺流速的影响。正值代表离子外排，负值代表离子吸收。

为了阐明Cd与Fe或Zn的相互关系，使用NMT技术对实时Fe²⁺或Zn²⁺处理下拟南芥根（距根尖200 μm）Cd²⁺流速进行了检测。无论有无HRW预处理，Fe²⁺的加入都急剧减少了Cd²⁺的内流，这可能是由于它们在根系吸收离子过程中的相互竞争所致（图3A）。在ZIP2型株系中，Zn²⁺显著减少了Cd²⁺的内流（图3B）。此外，进一步分析了由于添加铁或锌引起的Cd²⁺流速的降低率。结果表明，HRW预处理不会影响Cd²⁺和Fe²⁺之间的竞争关系（图3C）。但添加Zn²⁺时，37 %的HRW预处理显著降低了Cd²⁺流速（图3D）。这表明HRW处理后，更多的Zn²⁺被转运蛋白吸收，从而降低了对Cd²⁺的吸收。

图3. 实时Fe²⁺或Zn²⁺处理对有无HRW预处理的拟南芥根系Cd²⁺流速的影响。正值代表离子外排，负值代表离子吸收。

其他实验结果

HRW缓解了50 μM Cd胁迫对白菜生长的抑制作用。
HRW抑制了白菜对Cd的吸收能力，最终导致Cd积累量降低。
HRW抑制BcIRT1和BcZIP2的转录水平。
HRW缓解了Cd对转基因拟南芥的毒性。
HRW降低了转基因拟南芥的Cd积累。
HRW降低转基因植物铁的浓度、提高锌的浓度。

结论
本研究为阐明HRW降低白菜Cd积累的分子机制提供了新的见解。HRW能够降低参与Cd吸收的BcIRT1和BcZIP2的转录水平。此外，HRW还可影响Cd暴露下白菜和拟南芥中Fe和Zn的积累，改变Zn和Cd之间的竞争力。虽然HRW直接通过何种途径调控BcIRT1和BcZIP2尚不清楚，但本研究证实了BcIRT1和BcZIP2在HRW抑制Cd积累中的作用，这对阐明HRW在植物胁迫应答中的生理功能具有指导意义。