重金属污染是现下最热门且紧迫的问题,超量的重金属会严重阻碍植物的生长和发育;且重金属可以通过食物链积累,威胁人类的健康。因此,如何修复土壤及水体中的重金属是环境治理的重要难题。而植物修复是减缓重金属污染的最为经济、环保的方法。加拿大飞蓬(Erigeron canadensis,Asteraceae)是一年生入侵植物,具有生物量大,适应性强,繁殖速度快等特点。本试验采集到来自贵州汞矿区的一株飞蓬的种子,通过重金属水培实验证实了该株系对多种重金属胁迫(镉、铅及汞)具有很强的耐受性;生理生化指标显示:重金属胁迫下,飞蓬的部分抗氧化物酶活性显著提高;基于CdCl_2胁迫下的转录组分析,证实飞蓬部分信号转导、激素合成相关基因响应了镉胁迫。具体研究结果如下:1.飞蓬在不同浓度的CdCl_2、Pb Cl_2、Hg Cl_2溶液处理下,其表型变化不显著。在0.5 mmol/L,1 mmol/L和2 mmol/L CdCl_2溶液处理下,地下部分和地上部分的干物质中镉含量分别为178.72±6.23mg/kg和99.11±3.93 mg/kg,335.55±8.80 mg/kg和243.83±5.00mg/kg,891.80±32.86 mg/kg和317.57±14.85 mg/kg。在0.5 mmol/L,1 mmol/L和2 mmol/L CdCl_2溶液处理下,富集因子分别为1.76,2.17和1.41;转运因子分别为55.46%,72.67%,和35.61%。在1 mmol/L,2.5 mmol/L和5 mmol/L Pb Cl_2处理下,地下部分和地上部分的干物质中铅含量分别为45.50±1.54 mg/kg和1039.69±13.04 mg/kg,100.51±5.32 mg/kg和3241.43±133.93 mg/kg,188.89±2.51 mg/kg和4803.95±169.47 mg/kg。在1 mmol/L,2.5 mmol/L和5 mmol/L Pb Cl_2溶液处理下,铅富集因子分别为0.23,0.19和0.18;而转运因子分别为4.38%,3.10%和3.93%。在0.05 mmol/L,0.2 mmol/L和0.4 mmol/L Hg Cl_2溶液处理下,飞蓬地上部和地下部的汞富集量分别为12.58±0.74 mg/kg和113.65±5.27 mg/kg,83.03±3.51 mg/kg和2755.10±129.64 mg/kg,151.04±4.47 mg/kg和6014.92±164.24 mg/kg。在0.05mmol/L,0.2 mmol/L和0.4 mmol/L Hg Cl_2溶液处理下,飞蓬植株汞富集因子分别为1.25,2.07和1.88;转运因子分别为11.07%,3.01%和2.51%。以上结果表明,飞蓬具有较强的适应性,能够耐受高浓度Cd胁迫(2 mmol/L CdCl_2溶液),Pb胁迫(5 mmol/L Pb Cl_2溶液)及Hg胁迫(0.4 mmol/L Hg Cl_2溶液)。此外,在CdCl_2溶液处理下,飞蓬表现出较强的Cd积累能力,同时Cd的富集因子、转运因子也最大,是潜在的重金属累积器。2.不同CdCl_2溶液(0.5、1和2 mmol/L CdCl_2)处理可显著提高飞蓬部分抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)水平。在1 mmol/L CdCl_2处理下,超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性显著提高。不同Pb Cl_2溶液(1、2.5和5 mmol/L Pb Cl_2)处理可显著提高脯氨酸(Pro)水平;在5 mmol/L Pb Cl_2处理下,过氧化物酶(POD)和过氧化immune effect氢酶(CAT)活性显著提高,而谷胱甘肽还原酶(GR)活性在1 mmol/L Pb Cl_2时显著提高。不同Hg Cl_2溶液(0.05、0.2和0.4 mmol/L Hg Cl_2)处理可显著提高MDA和Pro水平,在0.4 mmol/L Hg Cl_2处理下,过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性显著提高。上述结果表明,受到重金属胁迫时,飞蓬的抗氧化酶活性增加,以应对重金属胁迫所带来的毒性,使其能正常的生长发育。3.为了获得Cd胁迫下飞蓬基因表达,对参照组(CK)和0.5mmol/L Cd~(2+)处理过的植物(Cd)基因表达水平进行转录组测序。在Cd胁迫下,飞蓬植物适应性生存而导致植物体内差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)地下部分有5284个(分别为3605个上调基因和1679个下调基因);地上部分有3815个(其中2430个上调基因和1385个下调基因),显著低于根中差异表达基因的数量。在两者比较中均发现了692个上调和136个下调的DEGs,并定义为共同DEGs。在Cd胁迫和对照组植株地上部分中发现有1132个差异基因(734个上调基因,398个下调基因);而在Cd胁迫和对照组植株地下部分中有1349个上调基因(937个上调基因和412个下调基因)注释到111条KEGG通路上。表明以上通路对Cd胁迫均有响应。进一步分析发现,在Cd胁迫下,植物激素信号通路在地上部分(53个DEGs)和地下部分(128个DEGs)中均显著富集。此外,上调和下调的共同DEGs主要参与了该通路。两种不同组织间selleckchem AG-221Auxin、ETH生物合成和信号转导相关基因表达水平的不同,可能导致地上部的Cd含量低于地下部分。此外,本研究还使用KEGG通路分析对与细胞壁生物合成、抗氧化酶和转录因子相关的DEGCanagliflozin半抑制浓度s进行了注释。关键DEGs的功能标记表明,信号转导、激素反应和活性氧(ROS)代谢对Cd有显著响应,特别是生长素(Auxin)和乙烯(ETH)信号转导参与的DEGs在地上部中表达过高,表明上述基因主要参与调节植物生长,因此可能通过调节响应胁迫,使飞蓬适应这种不利的环境。综上所述,飞蓬对多种重金属耐受,且可以作为Cd的潜在超累积器,为研究植物耐受重金属的分子机制提供了一定的理论支撑。