背景

镉是一种剧毒的重金属物质，对动物和植物都具有巨大的毒害作用。对于植物来说，镉能够对叶绿体进行毒害并抑制其光合作用的进行。在植物中有一种植物名为伴矿景天，它作为目前已知的几种对cd具有超富集能力最强的植物之一，能在地上部分组织中累计大量的cd而不呈现毒害症状，是我国用于镉污染农田土壤治理的一种重要修复植物。在土壤重金属污染治理中具有重要应用价值。但伴矿景天及其他镉超富集植物如何防止叶绿体内镉的积累、保护光合反应免受毒害的机制仍然未知。

中国科学院植物研究所王亮生研究团队在国际学术期刊Plant, Cell & Environment（IF：6.362）发表了一篇名为“SpHMA1 is a Chloroplast Cadmium Exporter Protecting Photochemical Reactions”的文章，该文章发现了伴矿景天中存在两个重金属转运蛋白基因 SpHMA1和SpHMA2，SpHMA1基因参与叶绿体对镉元素的外排解毒， SpHMA2基因负责将镉转运到液泡中进行区隔化，实现镉的胞质解毒。从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。

通过亚细胞定位发现在表达SpHMA1N198-GFP的原生质体中，仅在叶绿体包膜中观察到绿色荧光，而在对照细胞中仅在细胞核和细胞质中观察到绿色荧光，但在叶绿体中未观察到绿色荧光，这些结果证实SpHMA1位于叶绿体包膜。

图1:SpHMA1的亚细胞定位

研究发现在没有Cd的正常生长条件下，伴矿景天中的SpHMA1在叶片中优先表达，其表达比根部高150倍以上。相反，SaHMA1n在非超积累生态型的根，茎和叶中以相似的水平表达。相比于同源基因SaHMA1n，SpHMA1其表达高200倍以上。

图2:根，茎和叶中SpHMA1和SaHMA1n的转录水平

为了确定SpHMA1是否影响Cd在叶绿体中的积累，将野生型和SpHMA1-RNAi植物暴露于100和200μMCd 15天的叶绿体中Cd的含量，结果表明SpHMA1-RNAi转基因品系叶绿体中的标准化Cd含量比野生型叶绿体中的标准化Cd含量高4.5至6倍。在野生植物中当外部Cd浓度从100μM增加到200μM时，叶绿体中的标准化Cd含量增加了大约两倍。镉在SpHMA1-RNAi植物中叶绿体中的含量增加了约7倍。相比之下，SpHMA1-RNAi系叶绿体中的Cu和Zn含量与野生型植物无显着差异。这些结果表明，与野生型植物相比，SpHMA1表达的敲低导致SpHMA1-RNAi植物叶绿体中Cd的积累增加。

图3:野生型和SpHMA1-RNAi品系中cd在叶绿体中的积累

 研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了2个敲除突变植株，将SpHMA1-ko1，SpHMA1-ko2和野生型植物转移到添加或不添加Cd（0、100或200μMCdCl2）的水培溶液中15天。在SpHMA1-ko1中，显着降低了ΦPSII，增加了ΦNPQ和Inh，但对野生型植株的这些荧光参数几乎没有影响，SpHMA1-ko1突变体的叶绿体中的Cd浓度比野生型高14倍。仅在200μMCd处理下，SpHMA1-ko2植物的叶绿体中Cd浓度显着高于野生型，其效果远小于SpHMA1-ko1植物，发现SpHMA1基因沉默和突变植株的叶绿体中镉积累显着增加，光系统II的活性受镉胁迫抑制更显著，表明SpHMA1参与叶绿体对镉元素的外排解毒，从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。 

图4：SpHMA1的CRISPR / Cas9突变体的表征

结果

研究确定了SpHMA1是一种Cd转运蛋白，定位于叶绿体包膜，起到将Cd从叶绿体输出到细胞质和保护镉超富集的叶子细胞中的光化学反应。研究显示SpHMA1在叶片中高度表达，从而使叶绿体中镉的有效排毒。为了将胞质Cd保持在较低水平，另一个重金属ATP酶SpHMA3的功能是将Cd从细胞质转运到空泡，因此，SpHMA1和SpHMA3对Cd都很重要。

参考文献：

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文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.13456 

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