MT介導的蘿卜肉質根Pb累積與解毒調控機制的研究

　　蘿卜(Raphanussativus L.)是十字花科重要根菜類蔬菜作物，以膨大肉質直根為主要產品器官，營養豐富，在我國蔬菜生產和周年供應中占有重要地位。據報道，我國受重金屬污染的土壤面積約占土壤污染總面積的21.7%，重金屬污染元素主要包括鉛(Pb)，鎘(Cd)等。Pb作為生物體的非必需元素，是生物毒性極強的重金屬之一。褪黑素(Melatonin，MT)是一類吲哚類化合物，在植物非生物脅迫響應中發揮重要的作用。DNA甲基化是一種表觀遺傳修飾，可調控基因表達及維持基因組穩定性，在植物生長發育及響應各種非生物脅迫過程中發揮重要的調控作用。過量的Pb可通過食物鏈危害人類健康，因此如何通過MT有效降低蔬菜作物中Pb累積成為當前重要課題。然而，MT介導的蘿卜肉質根Pb累積與解毒調控機制研究尚不清晰。

　　近日，HorticultureResearch在線發表了南京農業大學柳李旺教授團隊題為Melatonin-induced DNA demethylation of metal transporter and antioxidant genes alleviates leadstress in radish plants的研究論文。

　　該研究以蘿卜高代自交系‘NAU-YH’為材料進行Pb脅迫處理，通過外源噴施不同濃度MT(0, 10,25, 50, 100, 150μmol/L)溶液，發現蘿卜肉質根與葉片中GR、APX等抗氧化酶活性升高，Pb含量顯著下降，其中50μmol/LMT處理下葉片與肉質根中Pb含量為Pb處理組的0.18倍和0.40倍。通過對對照組(Control)，Pb處理組(Pb200)以及50μmol/LMT處理組(Pb_50MT)進行全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)構建了蘿卜首個單堿基分辨的全基因組甲基化圖譜，其轉座子區甲基化水平高于基因主體區；進一步分析發現，MT處理降低了Pb脅迫誘導的高甲基化水平。此外，Pb_50MT處理組在Pb200 vsControl高甲基化區域的甲基化水平顯著降低，而Pb_50MTvs Pb200差異甲基化區域主要富集陽離子、鐵離子結合等離子結合相關基因。關聯轉錄組數據發現，MT處理后，上調表達的抗氧化基因(如RsAPX2、RsPOD52和RsGST)甲基化水平降低，使蘿卜植株能夠清除Pb誘導的活性氧(ROS)并降低氧化脅迫；MT誘導的低甲基化水平的重金屬轉運蛋白基因(如RsABCF5、RsYSL7和RsHMT)和轉錄因子(如RsWRKY41和RsMYB2)表達水平發生改變，表明其可能參與了蘿卜肉質根鉛累積量的降低。該研究初步解析了MT誘導的DNA甲基化改變在降低蘿卜Pb累積的調控機制，為深入分析Pb轉運相關基因遺傳調控網絡提供了良好基礎，有助于全面闡明MT介導的蘿卜及根類蔬菜Pb累積和解毒的分子機制。

　　Fig.1 Effects of MT treatment on Pbstress in radish

　　Fig.2 Theexpression and methylation analysis in radish response to Pb stress under MTtreatment.

　　Fig. 3 A hypothetical model of MT-induced Pb reduction anddetoxification in radish.

　　南京農業大學園藝學院唐明佳博士為文章第一作者，柳李旺教授為通訊作者，徐良、王燕副教授等參與了該研究。該研究得到了國家自然科學基金(31601766)、國家重點研發計劃(2018YFD1000800)、江蘇省現代農業產業技術體系(JATS2020)和江蘇省高等學校重點學科建設專項資金(PAPD)資助等項目的資助。