Plant physiology|南京农业大学揭示过氧化氢介导富氢水减少植物根系镉吸收

南京农业大学的研究人员于Plant Physiology（IF:6.902）上发表了一篇题为“Calcium-Dependent Hydrogen Peroxide Mediates Hydrogen-Rich Water-Reduced Cadmium Uptake in Plant Roots”的研究文献，该文献揭示了钙依赖性过氧化氢介导富氢水减少植物根系中的镉吸收。

背景：

氢可能在植物的发育和适应性反应中发挥信号作用，包括缓解土壤镉吸收的有害影响。本实验研究了白菜中镉毒害作用的影响因素，研究表明外源施用富氢水(HRW)可减少镉的净吸收和积累。结果取决于钙离子(Ca²⁺)跨越质膜的运输和过氧化氢(H₂O₂)的质外生成呼吸爆发氧化酶同系物(BcRbohD)。

结果：

镉刺激H₂释放和产生

使用氢针传感器研究了镉对白菜幼苗内源H₂产生的影响。结果表明，当根用Cd处理时，叶片中内源H₂浓度迅速增加。

图1.镉促进小白菜幼苗H₂释放和生长的研究

HRW减轻Cd胁迫诱导的白菜幼苗的生长抑制

为了研究H₂是否对Cd胁迫下的植物生长有影响，进行了表型和活力染色分析。在没有镉胁迫的处理中，在根尖中几乎没有发现损坏的细胞。用HRW预处理可以减轻Cd诱导的细胞损伤，但是，HRP的这种积极作用被DPI协同处理所抵消。

图2.HRW预处理缓解镉胁迫诱导的小白菜幼苗生长抑制和根系损伤

HRW减少了白菜根中的Cd流入和积累

当与Cd一起施用时，HRW的有益作用不那么强，因此直接作用的可能性不大。进一步研究了HRW处理时间对根部Cd²⁺吸收的影响，与未处理的根相比，Cd²⁺的净流入量要低得多。

图3.从根的上游和成熟部位测得的瞬变和稳定的Cd²⁺通量

NADPH氧化酶产生的H₂O₂介导HRW诱导的根吸收Cd²⁺的减少

使用MIFE技术研究了HRW对Cd的影响。在HRW预处理的植物中，Cd诱导的H₂O₂积累变化的更为巨大。H₂O₂的增加DPI协同处理完全抵消了HRW处理诱导的细胞凋亡。然后研究了Cd对NADPH氧化酶基因的转录水平的影响。暴露于镉导致BcRbohD明显上调转录，HRW和DPI共同处理会严重下调BcRbohD转录。

图4.HRW影响H₂O₂的产生和基因表达

胞质Ca²⁺是普遍存在的第二信使，在这项研究中，添加HRW导致伸长和成熟根区都有快速的Ca²⁺流入。这些结果暗示Ca²⁺参与HRW减少的Cd吸收。加入H₂O₂导致Ca²⁺迅速增加从根伸长区流出。

图5.HR、Cd和H₂O₂对白菜根伸长区和成熟区Ca²⁺通量和积累的影响

使用了两种Ca²⁺通道抑制剂（Gd³⁺和La³⁺）来进一步验证Ca²⁺作为植物根部Cd²⁺转运体HRW信号转导成分的作用。结果表明在Cd条件下HRW激活了Ca²⁺通道，HRd预处理诱导的Cd胁迫下BcIRT1表达下调被Gd³⁺协同处理完全抵消。

图6.白菜幼苗根系基因表达、净Ca²⁺、Cd²⁺含量及H₂O₂含量分析

结论：

这项研究的结果表明存在新的机制，该机制解释了H₂对植物中Cd毒性的改善作用，即H₂控制RbohD编码的NADPH氧化酶的表达水平和活性，在IRT1上游运行并调节根部Cd吸收的基因。外源施用HRW有效使细胞内H₂产生的增加，因此加速和增强了上述H₂的作用。

参考文献：

Dell’Aglio E, Giustini C, Kraut A, Couté Y, Costa A, Decros G, Gibon Y,Mazars C, Matringe M, Finazzi G, et al (2019) Identification of theArabidopsis calmodulin-dependent NAD 1 kinase that sustains theelicitor-induced oxidative burst. Plant Physiol 181: 1449–1458

Ali B, Gill RA, Yang S, Gill MB, Farooq MA, Liu D, Daud MK, Ali S,Zhou W (2015) Regulation of cadmium-induced proteomic and meta-bolic changes by 5-aminolevulinic acid in leaves of Brassica napus L.PLoS One 10: e0123328

Bai X, Liu L, Zhang C, Ge Y, Cheng W (2011) Effect of H 2 O 2 pretreatment on Cd tolerance of different rice cultivars. Rice Sci 18: 29–35

本研究受到国家自然科学基金项目资助。

文献链接：www.plantphysiol.org/cgi/doi/10.1104/pp.20.00377

下载原文