劉澤偉,賴金龍,李俊柯,丁峰,張宇*,羅學(xué)剛
(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽621010;2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽621010;3.西南科技大學(xué)生物質(zhì)材料教育部工程研究中心,四川 綿陽621010)
核電及國防軍工對(duì)核燃料的需求推動(dòng)鈾礦冶快速發(fā)展[1],鈾礦冶產(chǎn)生的大量鈾廢石、鈾尾礦中殘存的放射性核素及伴生重金屬被釋放進(jìn)入環(huán)境,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的放射性及重金屬雙重污染。鈾是典型的重金屬污染元素,具有半衰期長、輻射強(qiáng)度大、衰變子體多等特點(diǎn),其毒性效應(yīng)包括輻射毒性和化學(xué)毒性雙重效應(yīng)[2-3]。鈾在自然界中主要以化合物形式存在,其可溶態(tài)易被生物吸收,并沿著食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人體造成內(nèi)輻射,嚴(yán)重危害人體健康[4]。因此,鈾礦冶周邊環(huán)境鈾污染的修復(fù)與治理已成為亟需解決的問題。
近年來,利用植物根系對(duì)鈾的提取和固定來修復(fù)鈾污染的土壤或水體,已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-6]。然而,鈾作為一種非必需、難轉(zhuǎn)移元素,極易附著、累積在植物根部[7-8],其在植物根部的過量累積,已對(duì)植物造成明顯的毒害作用,如植物生長緩慢、根系壞死[9],這也嚴(yán)重影響了植物對(duì)鈾污染的修復(fù)效率。因此,研究鈾對(duì)植物的毒害機(jī)理有助于了解植物對(duì)鈾的耐受性及修復(fù)植物的篩選,對(duì)利用植物修復(fù)鈾污染具有重要意義。
蠶豆等豆科植物除了根系能夠吸收重金屬外,還能改善土壤環(huán)境,具有修復(fù)土壤重金屬污染的潛力[10-11]。據(jù)研究報(bào)道蠶豆可作為研究重金屬對(duì)植物毒害作用的一種模式植物[12]。光合作用和呼吸代謝是植物生長發(fā)育過程中兩個(gè)重要的生理代謝過程,受到重金屬脅迫的影響[13-17]。已有研究表明,Cd、Pb等重金屬脅迫對(duì)植物的光合作用會(huì)造成一定的影響[13,18]。例如,趙魯雪等[8]研究發(fā)現(xiàn)鈾脅迫下四季豆的凈光合速率下降,而大葉菠菜、紅圓葉莧的凈光合速率上升,說明不同植物對(duì)鈾脅迫的適應(yīng)能力存在差異。另外,有研究表明重金屬脅迫會(huì)影響植物根系的呼吸代謝過程[16,19-20]。例如,吳恒梅等[15]研究發(fā)現(xiàn)絲瓜種子的根系活力在低濃度鎘脅迫下有所增強(qiáng),而在高濃度鎘脅迫下會(huì)被抑制。盡管已有報(bào)道顯示重金屬脅迫會(huì)影響植物的正常生理代謝過程,但關(guān)于鈾對(duì)植物光合作用及呼吸代謝影響的分子機(jī)理鮮有報(bào)道。
隨著轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,利用該技術(shù)從分子水平上分析植物逆境脅迫下的毒害機(jī)理或耐受機(jī)制方面的研究備受關(guān)注[21-22]。因此,本文采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)分析高濃度鈾脅迫下蠶豆幼苗光合作用和呼吸代謝相關(guān)基因的差異表達(dá),并結(jié)合一些生理生化分析,以系統(tǒng)地闡釋鈾對(duì)蠶豆的毒害機(jī)理,對(duì)了解蠶豆對(duì)鈾的耐受性和修復(fù)植物的篩選具有參考意義。
本實(shí)驗(yàn)以蠶豆為研究對(duì)象,種子購于綿陽豐益河種子有限公司。隨機(jī)挑選飽滿、種皮未破損的蠶豆種子用蒸餾水沖洗3次后,浸種24 h。將種子置于人工培養(yǎng)氣候箱(溫度25℃,濕度80%)中進(jìn)行發(fā)芽。挑選長勢(shì)一致(胚根長度約2 cm)的發(fā)芽種子移植到定植籃中(每個(gè)定植籃放3粒種子),再將定植籃放置在含有改良霍格蘭營養(yǎng)液的植物組織培養(yǎng)瓶中。每3 d更換1次營養(yǎng)液,直至蠶豆長出兩片真葉。改良霍格蘭營養(yǎng)液組成如下:101.1 mg·L-1KNO3、236.15 mg·L-1Ca(NO3)2·4H2O、98.59 mg·L-1MgSO4·7H2O、16.01 mg·L-1NH4NO3、13.61 mg·L-1KH2PO4、鐵 鹽 溶 液(1.345 mg·L-1Na2-EDTA和1.112 mg·L-1FeSO4·7H2O),以及微量元素(包含:0.569 mg·L-1H3BO3、0.356 mg·L-1MnCl2·4H2O、0.043 mg·L-1ZnSO4·7H2O、0.01 mg·L-1CuSO4·5H2O和0.018 mg·L-1H2MoO4·H2O),pH為5.5。植物生長條件為:白天25℃/黑夜18℃,白天12 h/黑夜12 h,光照強(qiáng)度為5500 lx。
以硝酸鈾酰[238U,UO2(NO3)2·6H2O,分析純?cè)噭為鈾源,設(shè)計(jì)鈾污染濃度為0(對(duì)照)、5、10、15、20、25μmol·L-1,每組重復(fù)3次。本實(shí)驗(yàn)采用不含磷的改良霍格蘭營養(yǎng)液制備不同濃度的鈾溶液,以避免營養(yǎng)液中的磷酸鹽與鈾酰離子形成不溶性沉淀。隨機(jī)選擇生長狀況基本一致的蠶豆幼苗(長至兩片真葉階段),用不同濃度的鈾溶液代替營養(yǎng)液,在與植物培養(yǎng)相同的條件下處理72 h。同時(shí),每日在葉片上噴施1次磷溶液(0.1 mmol·L-1KH2PO4),以避免幼苗缺磷的癥狀。鈾處理72 h后,用蒸餾水沖洗幼苗根系3次,用濾紙吸干多余水分,液氮冷凍,-80℃保存,備用。
1.2.1 根系組織切片及透射電鏡觀察
觀察鈾處理后的蠶豆幼苗的生長狀況并進(jìn)行拍照。選取對(duì)照組和高濃度鈾處理組(25μmol·L-1)的幼苗根系,根據(jù)Brooks等[23]的方法,制備主根和側(cè)根的石蠟切片(縱切,厚度3~4μm,番紅固綠染色法),用普通光學(xué)顯微鏡分析根系的微觀結(jié)構(gòu)。選取對(duì)照組和高濃度鈾處理組的幼苗根系,將樣本用電鏡固定液處理后,經(jīng)樹脂包埋-超薄切片-負(fù)染等步驟后,制備超薄切片(厚度50~60 nm),用日立120 kV HT7800透射電子顯微鏡[天美(中國)科學(xué)儀器有限公司]觀察鈾對(duì)根系超微結(jié)構(gòu)的影響。
1.2.2各部分生物量及鈾含量的測(cè)定
樣品先105℃殺青15 min,然后85℃烘干至恒質(zhì)量。測(cè)定各處理組(0、5、10、15、20、25μmol·L-1)蠶豆幼苗地上部和地下部的生物量。用微型植物粉碎機(jī)(上??坪悖悠贩鬯?,每個(gè)樣品取0.100 0 g置于消解罐內(nèi),加入8 mL濃硝酸和2 mL 30%過氧化氫,用微波消解儀(意大利Milestone公司)對(duì)植物樣品進(jìn)行消解,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀Agilent 7700x ICP-MS(美國安捷倫公司)測(cè)定鈾含量。
1.2.3 葉綠素含量及光合參數(shù)的測(cè)定
葉綠素含量測(cè)定采用乙醇-丙酮(3∶1,V/V)提取法,稱取0.100 0 g植物葉片,加入5 mL色素提取液,快速研磨后浸提5 h,再用紫外分光光度計(jì)測(cè)定波長在645 nm和663 nm下的吸光值,根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算葉綠素含量[24]。用LCpro-SD+全自動(dòng)便攜式光合儀(北京澳作生態(tài)儀器有限公司)測(cè)定蠶豆幼苗的光合參數(shù),包括:凈光合速率(A,μmol?m-2?s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs,mmol?m-2?s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol·mol-1)和蒸騰速率(E,mmol?m-2?s-1),每個(gè)處理至少測(cè)定9次。
1.2.4 根系活力的測(cè)定
采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)比色法測(cè)定經(jīng)不同濃度鈾(0、5、10、15、20、25μmol·L-1)處理后幼苗的根系活力。稱取0.500 0 g根,加入4 g·L-1TTC溶液和0.66 mol·L-1磷酸緩沖液各5 mL,在37℃下暗保溫2 h,加入1 mol·L-1硫酸2 mL終止反應(yīng),取出根系吸干表面水分后,加入乙酸乙酯充分研磨,定容至10 mL,分光光度計(jì)測(cè)定波長485 nm下的吸光值,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線,求得TTC還原量。
選取鈾處理(0μmol·L-1和25μmol·L-1)72 h后的根系樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,進(jìn)行3次獨(dú)立的生物學(xué)重復(fù)。建庫測(cè)序及數(shù)據(jù)分析部分委托上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司完成,將得到的Unigene.fa文件上傳到Mercator注釋網(wǎng)站(https://www.plabipd.de/portal/mercator-sequence-annotation)以獲得蠶豆的Mapping文件。采用MapMan軟件(Version 3.6.0RC1)對(duì)與光合作用和線粒體電子傳遞途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因進(jìn)行可視化分析[25]。差異表達(dá)基因(DEGs)的篩選條件是基因表達(dá)量差異倍數(shù)大于1.5,即 |log2FC|>1.5,且P小于0.05。
鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)按下列公式計(jì)算:
鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=植物地上部鈾含量(mg?kg-1DW)/植物地下部鈾含量(mg?kg-1DW)式中:DW表示植物干質(zhì)量。
采用SPSSv.20.0(SPSSInc.,Chicago,IL,USA)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和LSD多重比較。采用Origin 9.0(Origin Lab.Corporation,Northampton,MA,USA)作圖;采用Adobe Illustrator CS6進(jìn)行圖像排版。
如表1所示,鈾脅迫72 h后,隨著鈾處理濃度的增加,蠶豆幼苗地上部和地下部生物量呈降低的趨勢(shì)。當(dāng)鈾濃度為25μmol·L-1時(shí),與對(duì)照組比較,地上部和地下部生物量分別降低了11.63%和9.09%。當(dāng)鈾濃度為5~25μmol·L-1時(shí),地上部和地下部鈾累積量分別為0.06~0.24 mg·kg-1和766.28~5 309.82 mg·kg-1。在不同濃度的鈾脅迫下,鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于0.01。結(jié)果表明,鈾的主要蓄積器官是根系,且難以易位至地上部。
如圖1A和圖1B所示,與對(duì)照組相比,U-25 μmol·L-1組的蠶豆幼苗根系出現(xiàn)了黑化現(xiàn)象。如圖1C至圖1F所示,鈾毒害明顯損傷了蠶豆根系的根冠層,表現(xiàn)為鈾處理組蠶豆根系的主根和側(cè)根的根冠層完全脫落。如圖1G和圖1H所示,鈾脅迫后的根系細(xì)胞壁區(qū)域出現(xiàn)明顯的鈾鹽沉積位點(diǎn)。這些結(jié)果表明,根系細(xì)胞壁是鈾的主要分布位點(diǎn),過量蓄積鈾明顯損傷了根系結(jié)構(gòu)。
表1鈾對(duì)蠶豆各部分生物量和鈾含量的影響Table 1 Effects of Uon the growth of Vicia faba L.and its accumulation content in plant
圖1鈾脅迫對(duì)蠶豆幼苗生長及微觀結(jié)構(gòu)的影響Figure 1 Effects of Ustress on the growth and microstructure of Vicia faba L.seedlings
如表2所示,鈾脅迫72 h后,5~25μmol·L-1組與對(duì)照組比較,葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量分別降低了4.32%~11.02%、3.9%~7.34%和4.21%~9.84%。隨著鈾處理濃度的增加,蠶豆幼苗光合作用參數(shù)(光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率)均顯著降低,但對(duì)葉片胞間CO2濃度的影響不明顯。當(dāng)鈾濃度為25μmol·L-1時(shí),與對(duì)照組比較,光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率分別降低了47.99%、38.66%和28.91%(圖2)。結(jié)果表明,高濃度鈾脅迫條件下,根系累積過量鈾,誘發(fā)植物光合作用異常。
表2鈾脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉綠素含量的影響(mg·g-1)Table 2 Effects of Ustress on chlorophyll content of Vicia faba L.(mg·g-1)
如圖3所示,隨著鈾處理濃度的增加,蠶豆幼苗根系活力呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)鈾濃度為15 μmol·L-1時(shí),根系活力達(dá)到最大值,比對(duì)照組提高了2.4倍。結(jié)果表明,鈾脅迫下蠶豆幼苗可通過誘導(dǎo)根系增強(qiáng)細(xì)胞的呼吸代謝,從而提高對(duì)鈾的耐受性。
圖2鈾脅迫對(duì)蠶豆幼苗光合參數(shù)的影響Figure 2 Effects of Ustress on photosynthetic parameters of of Vicia faba L.seedlings
RNA-seq結(jié)果顯示,鈾對(duì)光合作用的光反應(yīng)途徑、卡爾文循環(huán)途徑及光呼吸途徑相關(guān)基因的表達(dá)具有明顯的抑制作用(90個(gè)DEGs;3個(gè)上調(diào),87個(gè)下調(diào))(圖4和表3)。例如,在光反應(yīng)途徑中,高濃度鈾顯著地抑制了光反應(yīng)電子傳遞鏈途徑中相關(guān)基因的表達(dá)(57個(gè)下調(diào))(圖4A和表3)。在卡爾文循環(huán)途徑中,多種關(guān)鍵酶的基因也被顯著抑制,如transketolase gene(4.91)、aldolase gene(6.27)、triosephosphate isomerase gene(6.67)(圖4B和表3)。在光呼吸途徑中,高濃度鈾也顯著抑制了光呼吸代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)(圖4C和表3)。結(jié)果表明,鈾脅迫導(dǎo)致蠶豆幼苗光合作用效率降低,其機(jī)理是高濃度鈾損傷了光反應(yīng)途徑中的電子傳遞鏈,抑制了卡爾文循環(huán)途徑和光呼吸途徑。
圖3鈾脅迫對(duì)蠶豆根系活力的影響Figure 3 Effects of Ustress on root activity of Vicia faba L.
如圖4D和表4所示,在高濃度鈾脅迫條件下,線粒體呼吸代謝途徑相關(guān)基因表達(dá)量明顯增加,共檢測(cè)到27個(gè)差異表達(dá)基因,包括23個(gè)顯著上調(diào)基因和4個(gè)顯著下調(diào)基因。例如,鈾誘導(dǎo)ATP synthesis.alternative oxidase gene、ATP synthesis.NADH-DH.complexⅠ和ATP synthesis.NADH-DH.typeⅡ.internal matrix gene的表達(dá)量分別增加了3.97、3.35倍和3.33倍(表4),表明植物根系通過加強(qiáng)自身的呼吸代謝,提高植物對(duì)鈾毒害作用的耐受能力,該結(jié)果與根系活力的結(jié)果一致。
表3鈾脅迫下與光合作用途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因(前3位)Table 3 List of differentially expressed genes(TOP3)related to photosynthesispathway under Ustress
圖4鈾脅迫下與光合作用和線粒體電子傳遞鏈相關(guān)的差異表達(dá)基因Mapman可視化分析Figure 4 Mapman visualization analysis of differentially expression gene related to photosynthesis and mitochondrial electron transport under Ustress
表4鈾脅迫下與線粒體電子傳遞途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因(前3)Table 4 List of differentially expressed genes(TOP3)related to mitochondrial electron transport pathway under Ustress
植物的生物量是反映其生長狀況的重要指標(biāo)[26]。在一定濃度范圍內(nèi)的重金屬脅迫下,一般表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)植物生長和高濃度抑制植物生長[27-28]。例如,Misson等[29]的研究表明,在沒有磷的情況下,低濃度(2μmol·L-1)的鈾脅迫比對(duì)照組(0μmol·L-1)增加了植物生物量,而高濃度(50μmol·L-1和500μmol·L-1)的鈾脅迫導(dǎo)致植物生物量分別減少了40%和69%,其地上部分別下降25%和38.5%。本研究發(fā)現(xiàn)鈾脅迫下蠶豆的生物量略有下降,但差異不顯著,推測(cè)可能與鈾脅迫時(shí)間、濃度和植物種類不同有關(guān)。
已有研究表明,鈾主要在植物根系中積累,而向地上部轉(zhuǎn)移的鈾含量極低[7,30]。我們的研究結(jié)果與此類似,與對(duì)照組相比,鈾脅迫的蠶豆根系中鈾的累積量是地上部的數(shù)萬倍,且傳遞系數(shù)極低。有研究證實(shí),由于根系細(xì)胞壁的阻滯作用[31-32],過量的重金屬累積在植物根系,以緩解重金屬對(duì)植物地上部的毒害,但會(huì)對(duì)根系造成損害。例如,鎘會(huì)誘導(dǎo)植物根部的邊緣細(xì)胞脫落;隨著鎘濃度的增加,根冠邊緣的細(xì)胞數(shù)量也會(huì)增加,由此產(chǎn)生的邊緣細(xì)胞形成黏液層,防止鎘進(jìn)入根部[33]。植物根系對(duì)鈾酰離子有較高的吸附或積累作用,而鈾向莖葉的遷移受細(xì)胞壁沉降的限制[34]。與此結(jié)果類似的是,我們發(fā)現(xiàn)高濃度的鈾脅迫會(huì)導(dǎo)致植物根部的根冠脫落。與U-0μmol·L-1組相比,U-25μmol·L-1組的根尖細(xì)胞壁在透射電鏡下出現(xiàn)黑色沉淀物。這些結(jié)果表明,根系細(xì)胞壁阻礙了鈾向地上部的轉(zhuǎn)移,這可能是蠶豆耐受鈾脅迫的重要原因。付倩等[12]通過研究蠶豆對(duì)銫的吸收及其亞細(xì)胞分布,也得出了類似的結(jié)論。
光合作用是在植物葉綠體內(nèi)進(jìn)行的儲(chǔ)能過程,其受葉綠素含量的影響[35]。另外,光合參數(shù)能夠直接反映光合作用的強(qiáng)弱。研究表明,在高濃度鈾(U-25 μmol·L-1)脅迫下,蠶豆幼苗的葉綠素含量有所下降但并不顯著,而光合參數(shù)(除胞間CO2濃度外)顯著降低。前人研究表明,重金屬脅迫下,葉綠素含量、凈光合速率和蒸騰速率降低,而胞間CO2濃度升高[36-37]。我們推測(cè),高濃度鈾脅迫對(duì)蠶豆的光合效率有明顯的抑制作用,但在短時(shí)間(72 h)內(nèi)葉綠素沒有被破壞。植物光合作用的變化受到相關(guān)基因的調(diào)控。Houot等[38]的研究表明,在鎘脅迫下,大量參與光合作用的基因(通常提供ATP和NADPH)表達(dá)下調(diào),以適應(yīng)鎘脅迫。我們的研究結(jié)果也表明,高濃度的鈾脅迫顯著抑制了植物光合作用中光反應(yīng)途徑、卡爾文循環(huán)途徑和光呼吸途徑相關(guān)基因的表達(dá)。
根系活力可以反映根系吸收水分和養(yǎng)分的能力,甚至與重金屬的遷移有關(guān)[28,39-40]。在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)鈾濃度在0~25μmol·L-1范圍內(nèi),蠶豆幼苗的根系活力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。我們認(rèn)為,在低濃度鈾脅迫下植物能夠通過增強(qiáng)根系活力來維持自身正常的生理代謝,而當(dāng)鈾濃度過高時(shí)會(huì)對(duì)植物結(jié)構(gòu)造成損傷,從而導(dǎo)致根系活力下降。田小霞等[40]在研究鎘對(duì)馬藺根系活力的影響時(shí)也得到了類似的結(jié)果。逆境脅迫下,線粒體中與電子傳遞鏈相關(guān)基因的表達(dá)受到影響,其負(fù)責(zé)控制植物體內(nèi)ATP的水解和能量釋放的過程,釋放的能量主要用于抵抗脅迫[41-42]。Irani等[43]的研究發(fā)現(xiàn),在逆境脅迫下,擬南芥莖葉中與線粒體電子傳遞相關(guān)基因的表達(dá)有所增強(qiáng),以提高植物的抗逆性。與此類似,我們的研究結(jié)果表明高濃度的鈾脅迫誘導(dǎo)了蠶豆幼苗根系的線粒體中呼吸電子傳遞途徑相關(guān)基因的高表達(dá)。
(1)在鈾脅迫下,蠶豆根系能阻止大部分鈾向地上部轉(zhuǎn)移,從而維持植株地上部的正常生長。然而,蠶豆根系中鈾的過量累積造成了根系損傷,影響植物的生理代謝活動(dòng)。
(2)高濃度的鈾脅迫降低了蠶豆幼苗的光合效率,抑制了光合作用過程中光反應(yīng)途徑、卡爾文循環(huán)途徑和光呼吸途徑相關(guān)基因的表達(dá)。在一定的鈾濃度范圍內(nèi),蠶豆幼苗的根系活力呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),高濃度的鈾脅迫誘導(dǎo)了根系線粒體中呼吸電子傳遞途徑相關(guān)基因的高表達(dá)。
(3)在鈾脅迫下,蠶豆幼苗的光合作用受到影響,但其根系的呼吸代謝有所增強(qiáng),從而適應(yīng)鈾脅迫環(huán)境。蠶豆對(duì)鈾具有一定的耐受性,但由于鈾主要累積在其根系,因此不能作為鈾的富集植物。