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镉(cadmium,Cd)是一种毒性很强的重金属和致癌物质,水稻作为我国重要的粮食作物,是人体摄入镉的主要来源,稻米镉含量超标已成为严重的粮食安全问题。硅(silicon,Si)已被证实对水稻生长有益,且能缓解镉对水稻的毒性,甚至减少镉积累,但相关分子机理尤其是利用叶面喷硅降低稻米镉积累的研究较匮乏。本研究以黄华占(HHZ)和日本晴(NIP)为材料,通过水培,探讨叶面喷施二氧化硅降低籽粒镉的效果,并利用qRT-PCR和RNA-seq技术,分析水稻中镉相关的重要基因表达模式及转录组学变化,探讨叶面喷硅控镉的分子机理。取得的结果如下:1)qRT-PCR分析结果表明,水稻中镉吸收转运相关的重要基因,包括OsNramp5、OsNramp1、OsHMA2、OsHMA3、OsLCD和OsLCT1,在HHZ和NIP中各个特异部位的表达均以分蘖期和灌浆期较高。2)叶面喷硅的分析结果表明,对Cd处理水稻(水培)叶面喷施二氧化硅溶胶,具有降低稻米镉含量的效果。在喷施后的1 d和3 d,HHZ中籽粒镉含量分别降低了14.6%和9.4%,而NIP中籽粒镉的含量分别降低了27.7%和40.6%,并达到显著水平。对HHZ不同生育期叶面喷硅的效果进行了比较,发现喷硅处理对水稻籽粒的干重影响最显著,而且在苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期喷硅后,籽粒的干重分别比未喷硅对照增加了15.0%、48.1%、25.5%和19.3%。叶面喷硅还可影响籽粒尤其是糙米中Cd的含量,且以灌浆期叶面喷硅降低糙米Cd含量的效果最显著,与对照相比,可使糙米Cd降低67.2%。3)对灌浆期的黄华占材料进行叶面喷硅,通过qRT-PCR分析发现,叶面喷硅可使水稻中已报道的镉吸收转运相关基因的表达水平发生显著改变,而且转录组学分析表明,HHZ和NIP中各有176个和506个基因可能受喷硅调控显著差异表达。通过GO分析,发现这些差异基因主要富集到代谢、应激、合成及定位等生物学过程上。KEGG分析表明,这些差异基因主要富集到脂肪酸延伸、信号转导、RNA降解、碳代谢及谷胱甘肽代谢等途径上,而且HHZ和NIP所富集到生物学过程和代谢途径基本相同。通过共表达网络分析,发现HHZ和NIP中分别有7个和5个基因在叶喷硅控镉中可能起关键作用。这些生物学过程或代谢途径及其所涉及的特异基因,可能与水稻镉的叶面喷硅调控密切相关,为水稻叶面喷硅控镉提供了分子依据。4)通过qRT-PCR分析,在HHZ和NIP共有的差异基因中鉴定到4个基因在灌浆期叶面喷硅后仍然存在显著表达差异。其中,Os02g0249600在HHZ和NIP的倒一节中特异表达,编码谷蛋白B型2碱性链,而另外3个基因,Os01g0587300、Os12g0194900和Os09g0541000,却在HHZ的剑叶和NIP的穗中特异表达,分别编码含C2和GRAM结构域蛋白、氨基酸透性酶和水通道蛋白PIP2-7。此外,还从蛋白质互作网络关键基因中,鉴定到5个在HHZ中特异表达的基因,Os01g0618400、Os05g0589200、Os06g0270925、Os08g0545300和Os09g0400300,以及1个在NIP中特异表达的基因Os04g0684800,叶面喷硅后仍然存在显著差异表达。qRT-PCR还鉴定到在HHZ倒一节中显著差异表达的1个基因Os03g0132900以及NIP倒一节中显著差异表达的3个基因,Os01g0296166、Os03g0427300和Os07g0677200。这些基因可能在水稻灌浆期叶面喷硅控镉的过程中起重要作用,从而为将来水稻施硅控镉及其遗传改良、分子育种提供了有效的靶标。