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本研究聚焦于解决黑麦草镉积累问题，通过对比二倍体和四倍体黑麦草的转录组学特征，揭示了不同倍性水平下镉吸收和积累的差异机制，为土壤镉污染修复和黑麦草品种改良提供了重要理论依据。
镉污染是全球性环境问题，尤其在农业土壤中，镉通过食物链累积对人类健康构成严重威胁。黑麦草作为一种广泛种植的牧草，其镉积累能力备受关注。然而，不同倍性水平的黑麦草在镉吸收和积累方面是否存在差异尚不清楚。为解答这一问题，四川农业大学的研究人员开展了二倍体和四倍体黑麦草镉吸收与积累差异的转录组学研究，揭示了其中的分子机制，并为黑麦草的品种改良和镉污染土壤修复提供了重要理论支持。该研究发表在《BMC Genomics》上。
研究背景
镉（Cadmium, Cd）是一种剧毒重金属，主要通过食物摄入影响人类健康，过量摄入可导致“痛痛病”，表现为骨骼变形、易碎等症状。黑麦草（Lolium multiflorum Lamk.）作为一种广泛种植的牧草，其镉含量直接影响肉类和乳制品的安全性。然而，黑麦草在镉污染环境下的适应性及其镉吸收机制尚不明确。此外，黑麦草存在二倍体和四倍体两种倍性水平，四倍体黑麦草表现出更高的产量和环境适应性，但其镉耐受性及积累机制尚未被深入研究。为解决这些问题，四川农业大学的研究人员开展了相关研究。
研究方法
研究人员选取了四种黑麦草基因型（二倍体镉敏感型PI 577241、二倍体镉耐受型PI 636508、四倍体镉敏感型PI 611145和四倍体镉耐受型Chuansi No.1），通过表型分析、生理参数测定、镉化学形态和亚细胞分布分析，以及转录组学（ISO-seq和RNA-seq）技术，系统研究了不同倍性水平下黑麦草的镉吸收和积累差异。
研究结果
植物生长与根形态参数
镉处理对四种基因型的生长和根形态参数产生了显著影响。耐镉基因型（DT和TT）的干重在镉胁迫下未发生显著变化，而镉敏感基因型（DS和TS）的根干重显著降低。此外，敏感基因型的总根长和根表面积在镉处理下显著减少，而耐镉基因型的根长未受影响，但根表面积显著降低。
叶绿素含量
镉胁迫下，四种基因型的叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和总叶绿素（Chl a + b）含量均显著降低，但不同基因型间叶绿素a与叶绿素b的比例无显著差异。
镉含量与镉通量
镉处理后，耐镉基因型的镉浓度显著低于敏感基因型，且二倍体基因型的镉积累量高于四倍体基因型。此外，敏感基因型的镉从根到茎的转运能力显著高于耐镉基因型。通过非损伤微测技术（NMT）检测镉通量，发现敏感基因型的镉通量显著高于耐镉基因型。
其他金属浓度
镉处理还影响了其他金属（如Ca、Fe、Mg、Mn、Zn、Cu）的浓度。在敏感基因型中，Mg、Mn和Cu的浓度显著降低，而在耐镉基因型中，这些金属的浓度变化较小。
镉化学形态和亚细胞分布
研究人员分析了镉在不同化学形态（如水溶性镉、与细胞壁结合的镉等）和亚细胞分布（如细胞壁、细胞器和可溶性部分）中的差异。结果显示，耐镉基因型在根细胞壁中积累了更高比例的镉，限制了镉向地上部的转运。
转录组分析
研究人员通过ISO-seq和RNA-seq技术分析了镉胁迫下二倍体和四倍体黑麦草根部的转录组差异。结果表明，四倍体基因型表达更多与镉外排相关的基因，如ZIP1和ABCG家族基因，这可能是其镉积累量较低的原因。此外，四倍体基因型的复杂调控系统和稀释效应也降低了镉的吸收和积累。
研究结论与讨论
本研究表明，二倍体镉敏感基因型比四倍体镉耐受基因型积累了更多的镉，这主要归因于不同倍性水平下金属转运蛋白的差异表达。敏感基因型中可溶性镉成分较多，促进了镉从根到茎的转运。而四倍体基因型在根细胞壁中积累了更高比例的镉，限制了镉的转运。此外，四倍体基因型表达更多促进镉外排的基因，进一步降低了镉的积累。这些发现为黑麦草的镉耐受机制提供了新的见解，并为黑麦草的品种改良和镉污染土壤修复提供了重要理论支持。
