重金属Cd在植物体内的长距离运输途径是植物-土壤学经典研究方向之一，受到国际环境/土壤领域的持续关注。Cd可以通过土壤-植物系统迁移、运输和积累，已严重威胁农产品安全乃至人群健康。因此，研究植物吸收、运输和积累Cd的过程及其调控机理是发展污染控制与安全利用技术的重要基础。为此，中国科学院沈阳应用生态研究所土壤污染生态团队，通过对不同Cd富集型作物进行嫁接、分根实验及韧皮部环割干扰等方式，研究了土壤Cd从作物根到叶片的长距离运输途径及其调控机制。
　　研究发现，嫁接在野生茄托鲁巴姆上的茄、番茄和辣椒果实中的Cd含量降低了60-80%，且不影响作物的产量和品质，而通过改善土壤pH值达到的效果往往低于50%。有价值的是，嫁接产生的低Cd富集性状，可以在大宗粮食作物大豆的育种实验中出现：嫁接蒙导，不仅可以改良作物的农学性状，且Cd富集特性也随之发生了改变。更重要的是，接穗种子的低Cd富集性状可以在后代中稳定维持，显示了嫁接技术在遗传育种方面的潜力。在此基础上，基于DNA甲基化、miRNAs以及转录组高通量测序分析发现，嫁接诱导的多数差异表达基因富集在硫代谢、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢等与硫相关的代谢通路中。研究结果表明，作物体内含巯基的小分子化合物或者含硫化合物的合成与代谢调控了Cd的运输和积累；嫁接通过影响与硫相关的miRNAs的交流和DNA甲基化的改变（表观遗传修饰），将接穗获得的低Cd富集性状（表型）在子代中稳定维持。以上研究结果完善了作物运输和积累Cd的分子调控机制，为大面积重金属污染农田背景下Cd低积累的作物育种工作开辟了新思路。
　　上述系列成果：（1）以“Mechanism and stability of low cadmium accumulation in grafted soybeans induced by rootstocks”为题，发表在“Plant Soil”上，助理研究员孙梨宗和副研究员贾春云为共同第一作者，李晓军研究员和台培东研究员为共同通讯作者；（2）以“Maintenance of grafting reducing cadmium accumulation in soybean (Glycine max) is mediated by DNA methylation”为题，发表在“Science of the Total Environment”上，助理研究员孙梨宗和博士生薛晨阳为共同第一作者，台培东研究员为通讯作者；（3）以“Grafting with an invasive Xanthium strumarium improves tolerance and phytoremediation of native congener X. sibiricum to cadmium/copper/nickel tailings”为题，发表在“Chemosphere”上，博士生薛晨阳和助理研究员孙梨宗为共同第一作者，台培东研究员为通讯作者；（4）以“A reduction in cadmium accumulation and sulphur containing compounds resulting from grafting in eggplants (Solanum melogena) is associated with DNA methylation”为题，发表在“Plant Soil”上，博士生崔伟娜为第一作者，助理研究员孙梨宗为通讯作者。（5）以“Grafting as a mitigation strategy to reduce root-to-shoot cadmium translocation in plants of Solanaceae family”为题，发表在“Journal of Cleaner Production”上，博士生原红红第一作者，助理研究员孙梨宗为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

图 1 嫁接作为减少土壤Cd从植物根向地上部运输的一种阻控手段

图2 嫁接诱导的接穗DNA低甲基化模式在后代中稳定维持。A-C: CG-DMR、CHG-DMR、CHHDMR、Gene和转座子元件(TE)在染色体上的密度分布。D：三种类型DMR在Genebody和Promoter区域Venn图。E：三种类型DMR数量。F：Hyper-和Hypo-DMR的数量。G：DMR在不同基因组区域的分布

图3 砧木诱导作物Cd低积累的调控机制