近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院劉金隆副教授在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of Hazardous Materials》發(fā)表了題為“Rhizobium Symbiosis Modulates the Accumulation of Arsenic in Medicagotruncatula via Nitrogen and NRT3.1-like Genes Regulated by ABA and Linalool”的研究論文。草業(yè)學(xué)院碩士生葉遼遼、楊培志副教授和本科畢業(yè)生曾引偉為本論文共同第一作者，草業(yè)學(xué)院劉金隆副教授、生命學(xué)院青年教師高會(huì)玲博士和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭青松副教授為論文共同通訊作者。

 

　　砷污染已是一個(gè)全球性的問題。砷作為I類致癌物質(zhì)，易被植物吸收并在可食部位累積，進(jìn)而通過食物鏈威脅到人類健康。該研究發(fā)現(xiàn)根瘤菌-根系共生可以顯著增強(qiáng)豆科植物蒺藜苜蓿的耐砷酸鹽能力，其中一種野生中華苜蓿根瘤菌Rm5038可以顯著降低植物地上部位砷的累積。砷酸鹽是有氧土壤中無機(jī)砷的主要存在形態(tài)，它被公認(rèn)為磷酸鹽的類似物，因此很容易通過質(zhì)膜磷轉(zhuǎn)運(yùn)體PHT1家族成員進(jìn)入植物體內(nèi)，而外源施加磷也往往能夠拮抗砷酸鹽毒害并降低砷的累積。氮、磷和砷同屬VA族元素，該研究首次發(fā)現(xiàn)氮也能夠像磷一樣拮抗砷酸鹽對(duì)植物的毒害并降低砷的吸收累積，而且硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體nrt3.1突變體也能夠像磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體pht1.1突變體一樣對(duì)砷酸鹽脅迫耐受并累積更少的砷。蒺藜苜蓿NRT3.1相似基因NRT3.1L1能夠成功回補(bǔ)擬南芥nrt3.1突變體砷酸鹽耐受的表型。在砷酸鹽脅迫下，Rm5038共生能夠顯著增加植物地上部位中的氮和顯著降低根中NRT3.1Ls的表達(dá)，這有利于降低砷在植物體內(nèi)的累積。

 

　　通過aba2-1、pyr1/pyl1/2/4/5/8六突變體和abi1-2/abi2-2/hab1-1/pp2ca-1四突變體，該研究首次為ABA信號(hào)調(diào)控植物耐砷酸鹽能力提供了遺傳學(xué)證據(jù)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)與ABA同屬萜類的芳樟醇也能調(diào)控植物的耐砷性。ABA和芳樟醇都能夠促進(jìn)NRT3.1Ls的表達(dá)，然而它們的生物合成均受NH4+的抑制，而NH3是根瘤固氮過程中首先形成的氮素形態(tài)，由此揭示了根瘤菌共生降低NRT3.1Ls表達(dá)的信號(hào)通路。另外，根瘤共生過程中可能還存在著除NH4+以外的其它未知信號(hào)途徑能夠促進(jìn)地上部位中ABA和根中芳樟醇的生物合成，然后抑制除NRT3.1外的其它硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體基因NRTs的表達(dá)，以減少植物中的砷積累。

 

　　綜上結(jié)果表明，根瘤菌共生能夠通過氮以及ABA和芳樟醇對(duì)NRT3.1Ls的調(diào)控作用調(diào)控砷在宿主植物體內(nèi)的累積。該研究不僅揭示了根瘤共生調(diào)控豆科植物砷累積的分子機(jī)制，而且指出合適的根瘤菌菌株對(duì)于降低豆科植物中的砷積累至關(guān)重要，并認(rèn)為硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體、ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和芳樟醇生物合成相關(guān)基因可以成為未來低砷作物分子育種的新的遺傳目標(biāo)。

 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125611