土壤Cd污染是一个严重的全球性生态环境问题，中国、日本、欧美等国家的耕地都存在不同程度的Cd污染现象。土壤Cd污染植物修复技术因具有环境友好、成本低廉、操作简便、视觉美观等优点被公众所关注，而超富集植物龙葵常被用于Cd污染土壤修复。课题组前期研究发现Cd胁迫下龙葵通过调节体内抗氧化酶活、细胞壁多糖组分、Cd的亚细胞分布及赋存化学形态来抵御Cd毒害（https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.109997； https://doi.org/10.1007/s11356-020-11505-5）。然而，龙葵对Cd的高耐受性及解毒分子机制尚不清晰。因此，需要结合多组学技术研究龙葵对Cd胁迫的应答机制。
该论文研究采用水培试验对龙葵进行不同浓度Cd胁迫处理，重点研究了Cd胁迫下，龙葵各器官（根、茎、叶）细胞超微结构变化，并对根组织进行转录组学与代谢组学联合分析。通过透射电镜（TEM）发现，Cd胁迫严重破坏了龙葵各器官细胞超微结构，且受损程度与Cd胁迫浓度呈浓度-剂量效应。此外，龙葵各器官细胞采取增厚细胞壁、将胞内Cd2+转运至液泡等方式进行解毒。
图1.Cd胁迫下龙葵根尖细胞超微结构变化
注：A, B 对照组; C, D 25 μM Cd处理组; E, F 50 μM Cd 处理组; G, H 75 μM Cd 处理组; I, J 100 μM Cd 处理组.
缩写词: CW 细胞壁; PM 质膜; V 液泡; M 线粒体; NM 核膜; N 细胞核; Nue 核仁; Lb 脂质体;L 白色体.
随后，对龙葵根系进行代谢组学与转录组学分析。代谢组学分析结果发现Cd胁迫下龙葵根系有7条代谢通路被显著干扰，涉及19个差异表达代谢物（DEMs）。而转录组学分析结果鉴定出3908个共同差异表达基因（DEGs），其中上调DEGs1049个，下调DEGs2859个。除此之外，该研究利用组学联合分析还发现了Cd胁迫下参与根组织细胞壁生物合成的DEMs和DEGs，初步揭示了细胞壁在龙葵根系解毒Cd过程中发挥的重要作用。
图2. Cd胁迫下龙葵根系共同差异代谢物涉及的代谢通路富集分析（a）；Cd胁迫下龙葵根系差异代谢物（氨基酸、碳水化合物和核苷酸类）相对含量变化箱式图（b）
图3. 细胞壁组分木质素合成途径简图，蓝色代表共同上调和下调的差异表达基因，绿色代表共同下调的差异表达基因（a）；参与木质素合成的差异表达基因的相对表达量，红色代表上调基因，绿色代表下调基因（b）；参与细胞壁其他组分合成的差异表达基因的相对表达量，红色代表上调基因，绿色代表下调基因（c）
图4.Cd胁迫下参与细胞壁合成的差异表达代谢物相对含量变化箱式图
上海交通大学农业与生物学院生态学博士生王军才为论文第一作者,周培教授为通讯作者,博士后初少华、张丹副研究员等参与了该研究。课题组多年来一直从事农业产地环境污染防治与修复方面的研究,并在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Bioresource Technology、Science of The Total Environment等国内外权威期刊发表多篇论文。相关研究得到国家重大研发计划和国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127168
