重金属污染是当今人类面临的严重环境问题。土壤重金属超标严重影响植物的生长和农产品安全。植物具有一定的重金属耐受性,而植物的重金属耐受性又受多种因素的影响和调控,如已有研究表明脱落酸(abscisic acid,ABA)能显著提高植物对重金属胁迫的耐受性,但目前关于这方面的研究主要集中在形态指标和生理生化方面,在转录组和全基因表达层面的研究工作尚不系统。此外,对于ABA调控植物不同组织在重金属胁迫中各自执行的功能仍知之甚少。鉴于此,本研究以污染广、毒性强的重金属Cd为胁迫因素,采用叶面喷施ABA的处理,分别设置对照组、ABA处理组、Cd处理组、ABA+Cd处理组。用火焰原子吸收法测定了各种处理下绿豆幼苗叶、茎和根组织中Cd及其他矿质元素的含量变化,用酶联免疫法测定了内源激素ABA、IAA、GA、SA的含量变化,用RNA-Seq技术分析了转录组层面基因表达谱及差异基因表达的变化,以期揭示ABA调控绿豆幼苗叶、茎和根Cd耐受性的生理生化与分子机制。主要D-Lin-MC3-DMA细胞培养结果如下:1.ABA影响Cd胁迫下绿豆幼苗的生长及矿质元素的浓度。10μM ABA处理显著降低了绿豆幼苗叶、茎和根中的Cd积累量,分别下降了49.6%、46.2%和16.7%。改善了Cd胁迫造成的生长受损现象,分别使株高、主根长、侧根数、地上部分的干重、根的干重提高了15.0%、7.4%、3.0%、11.5%、12.4%。Cd胁迫显著降低了绿豆幼苗叶、茎和根中的K、Zn、Fe含量,降低了叶和茎中的Ca含量以及根中的Mg含量;增加了根中的Ca含量以及叶和茎中的Mg含量。ABA施加逆转了幼苗三个组织中因Cd胁迫造成的矿质营养元素含量的下降,使幼苗中的K、Zn、Fe分别上升了16.5%、17.1%、26.2%;降低了因Cd胁迫造成的矿质营养元素含量的增加,使幼苗根中的Ca和叶、茎中的Mg分别降低了8.9%、16.5%、16.5%,即外源ABA逆转了绿豆幼苗因受到Cd胁迫导致的矿质元素含量的变化。说明调节矿质营养元素的浓度和离子稳态是ABA有效减轻Cd对植物毒害作用的一个重要机制。2.ABA影响Cd胁迫下绿豆幼苗中激素含量。Cd胁迫导致了绿豆幼苗叶、茎和根中IAA和GA含量下降,ABA和SA含量上升。ABA提高了因Cd胁迫引起的IAA和GA3含量的降低(分别提高了15.6%和7.7%),降低了因Cd胁迫引起的SA含量的增加(平均降低了6.4%),即ABA逆转了绿豆幼苗中因Cd胁迫导致的激素含量的变化。ABA通过调节内源激素的含量和比值来平衡绿豆幼苗的生长,进而缓解Cd胁迫对绿豆幼苗的抑制作用。这些结果表明调节内源激素的含量及比值变化是Cd胁迫下ABA有效减轻Cd对植物毒害作用的又一个重要机制。3.转录组分析显点击此处示,正常生长条件下,ABA影响绿豆幼苗的基因表达。主要调控MAPK信号转导、植物激素信号转导、苯丙素生物合成、类黄酮生物合成以及植物与病原相互作用途径等,调控与植物胁迫响应功能有关基因的差异表达。ABA也导致叶、茎、根组织中基因的时空表达谱的显著差异。在叶中随着ABA处理时间的延长,含硫化合物及糖苷酶等参与胁迫的基因表达量呈上升趋势,而在茎中,参与胁迫的氧化还原和脂氧化物等基因表达量呈下降趋势。4.转录组分析显示,Cd胁迫下ABA对绿豆幼苗的基因表达的影响不同于正常条件下生长的幼苗。主要调控脂质代谢、次生代谢、氨基酸代谢、能量代谢以及信号途径等代谢通路。在基因水平上,ABA调控与植物脂质代谢、细胞壁过程、次级代谢、防御与胁迫反应、信号转导、光合作用、细胞分裂、转运蛋白、蛋白质合成与修饰及转录因子相关基因的表达。Cd胁迫下,ABA也影响叶、茎、根中基因时空表达谱。随着处理时间的延长,叶中含硫化合物和糖苷酶等参与胁迫过程的基因表达量呈上升趋势,茎中参与胁迫过程的蛋白磷酸化基因表达量呈上升趋势而脂质代谢基因表达量呈下降趋势,根中参与胁迫过程的应激、解毒及抗氧化反应等基因表达量呈先下降后上升的趋势。5.RT-qPCR分析结果验证了转录组数据,且不同基因在不同组织或不同胁迫时间的表达及对ABA的响应不同。例如,ABA处理后,水通道蛋白基因在叶、茎和根中均高水平表达,且呈现根>叶>茎;非特异性脂质转运蛋白基因在茎中表达量显著高于根和叶,而富含脯氨酸的细胞壁蛋白基因则在根中高表达。ABA+Cd处理后,植物病害相关蛋白基因和富含脯氨酸的细胞壁蛋白基因在根中表达高于茎medical insurance和叶,质膜阳离子结合蛋白基因在叶中的表达高于茎和根,而ABA受体基因则在茎中高表达。