Small江苏师大&农业部环保所：NMT根实时吸Cd数据 为碳点(CDs)促小麦Fe生物强化和Cd阻控的机制研究提供证据
基本信息
主题：NMT根实时吸Cd数据 为碳点(CDs)促小麦Fe生物强化和Cd阻控的机制研究提供证据
期刊：Small
影响因子：13.3
研究使用平台：NMT重金属胁迫创新平台
标题：Role of Soil and Foliar-Applied Carbon Dots in Plant Iron Biofortification and Cadmium Mitigation by Triggering Opposite Iron Signaling in Roots
作者：江苏师范大学孙健、朱以夏、李艳娟，农业农村部环境保护科研监测所王瑞刚、张倩
检测离子/分子指标
Cd2+
检测样品
小麦根伸长区
中文摘要
在中国，大多数土壤中铁(Fe) 的利用率较低，但镉(Cd) 普遍超出土壤污染监管限值。因此，可食用植物部分中铁的生物强化以及镉的减少对于人类营养和健康非常重要。碳点（CDs）被认为是农业应用的潜在纳米材料。丹参衍生的CDs是植物中铁、锰(Mn)、锌(Zn) 和镉积累的有效调节剂。CDs灌溉（1.0 mg·mL−1，从拔节期开始每周进行一次，持续12周）使小麦籽粒中的铁含量增加了18%，但镉的积累减少了20%。这一发现与土壤和根细胞壁中CDs的Fe3+ 动员特性以及根中依赖于内吞作用的内化有关。由此产生的过量Fe 信号通过抑制TaNRAMP5 表达来减轻Cd 吸收。叶面喷洒CDs提高了小麦籽粒中Fe (44%)、Mn (30%) 和Zn (19%) 的含量，而Cd 积累量没有变化。这一结果归因于CDs增强的光信号传导，它触发了从芽到根的铁缺乏反应。这项研究不仅揭示了CDs 调节植物中Fe 信号传导的分子机制，而且还为植物性食品中同时进行Fe 生物强化和Cd 缓解提供了有用的策略。
离子/分子流实验处理方法
1.0 mg/mL CDs瞬时处理
0/1.0 mg/mL CDs处理30分钟
1/2霍格兰营养液含50 μM CdCl2 +0/100 μM FeCl3
离子/分子流实验结果
前期实验结果显示CDs浇灌和叶喷处理诱导小麦和拟南芥根产生相反的Fe感知信号。为了从生理层面验证CDs是否真正诱导植物根产生相反Fe信号，研究用非损伤微测技术（NMT）测定了CDs不同处理下小麦根细胞Cd吸收和Cd积累水平的变化。如图1所示，NMT数据显示CDs浇灌显著抑制了小麦根细胞Cd内流速率，平均Cd内流速率减少了49%。然而，CDs叶喷处理明显促进了小麦根细胞对Cd的吸收，增幅达56%。通过分析CDs不同处理对小麦和拟南芥根Fe/Cd转运相关基因表达以及对小麦根细胞Cd吸收和积累的影响，证明了CDs浇灌导致植物根细胞产生Fe超载信号，而CDs叶喷处理导致植物根细胞产生Fe缺乏信号。这种CDs诱导植物根产生相反的Fe感知与信号可能是CDs不同处理差异调控植物Fe、Mn、Zn和Cd积累的重要原因。
图1CDs浇灌和叶喷处理对小麦根细胞Cd2+吸收速率的影响。折线图表示小麦根伸长区细胞在CDs浇灌处理21天（a）和CDs叶喷处理14天（c）后Cd内流的动态变化。柱状图表示平均Cd内流速率（b和d）。折线图和柱状图中误差线表示均值的标准误（n=14-20）。柱状图标记“*”和“**”表示不同处理之间在P<0.05和P<0.01具有显著差异。无标记表示处理间无显著差异。
为进一步验证Fe超载是否会对Fe/Cd运输相关基因表达和Cd吸收与积累产生抑制作用，本研究开展了外源Fe3+对小麦幼苗（水培）根组织Fe/Cd基因表达水平和Cd吸收速率影响的实验。如图2a所示，与不额外添加Fe3+处理组（-Fe3+）相比，培养液中充足的Fe3+（100 μM）显著提高了水培小麦幼苗在Cd胁迫（50 μM CdCl2）下的生长状态。同时，根组织中Fe积累幅度显著增加，Cd在根叶组织中的积累显著下降（图2b）。根组织Fe/Cd运输相关基因表达水平和Cd2+内流速率均显著降低（图2d，e）。以上结果充分证明，Fe超载显著抑制小麦根Fe/Cd吸收相关基因表达和Cd2+吸收速率。
图2.水培条件下（1/2霍格兰营养液+50 μM CdCl2）Fe3+（+100 μM FeCl3）影响小麦根Fe/Cd运输相关基因表达和根细胞Cd2+吸收速率。a. 5周处理后的小麦幼苗表型。b-c. 小麦根和地上部Fe和Cd含量（n=5）。d. 折线图表示不同根区细胞Cd2+吸收速率（n=15）。e. Fe/Cd运输相关基因表达水平变化（n=4）。柱状图和折线图中的误差线表示均值的标准误。柱状图标记“*”，“**”，“***”和“****”表示不同处理之间分别在P<0.05，P<0.01，P<0.001 and P<0.0001具有显著差异。
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其他实验结果
- 利用丹参作为生物质碳源，通过水热法制备得到CDs并进行了材料表征。结果显示CDs具有典型石墨烯结构，表面富含酚羟基和羧基等官能基团。
- CDs浇灌和叶喷处理分别引起植物根系Fe超载信号和Fe缺乏信号。
- CDs浇灌活化了土壤和根细胞壁Fe，导致根际可利用Fe含量增加。CDs/Fe3+螯合物通过胞吞作用进入根细胞并被还原成Fe2+，进而引起Fe超载信号并抑制TaNRAMP5表达和Cd吸收，最终同时实现小麦籽粒的Fe生物强化和Cd阻控。
- CDs叶喷处理显著上调拟南芥和小麦叶片缺Fe信号相关基因表达，包括正调控植物缺Fe响应的一类小肽IRONMAN（IMA）。CDs叶喷诱导拟南芥叶片IMA小肽表达和根缺Fe响应基因的表达均部分依赖于红光受体PHYC。碳点的光致发光特性增强了拟南芥和小麦叶片红光信号，并通过PIFs在转录水平激活IMA小肽表达，进而促进根缺Fe信号响应。
- 此外，CDs叶喷增强根硫代谢和Cd根部截留，因而限制了Cd向籽粒中转移和积累。
结论
增强植物对Fe、Mn和Zn等有益金属元素的吸收、转运和积累不仅对植物自身的生长发育具有重要促进作用，同时也对解决“隐性饥饿”和促进人类健康具有非常积极的意义。生物质衍生CDs在农作物产量与品质提升方面具有重要应用价值。CDs具有促进植物光合作用，提高养分吸收利用效率和增强抗逆抗病性等作用。本研究揭示丹参衍生CDs对植物Fe、Mn、Zn和Cd的吸收、转运和积累具有重要调控作用，有潜力成为新型作物Fe、Mn和Zn生物强化和Cd阻控的纳米工具。
测试液
0.1 mM CaCl2、0.5 mM KCl和10 µM CdCl2，pH=5.7
NMT仪器信息
文章原文：https://doi.org/10.1002/smll.202301137
供稿：朱以夏
编辑：叶斌，刘兆义
关键词：Cd2+；镉污染；碳点；纳米材料；重金属胁迫；小麦；根；植物类