安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)作物學(xué)學(xué)科團(tuán)隊(duì)揭示褪黑素緩解重金屬脅迫的分子機(jī)理

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)作物學(xué)學(xué)科團(tuán)隊(duì)在褪黑素緩解重金屬脅迫的分子機(jī)理方面取得重要進(jìn)展。該研究通過(guò)種子引發(fā)的方式，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了褪黑素對(duì)Cr脅迫下種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，并利用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的方法揭示了OsSGT1和OsABI5是褪黑素緩解Cr脅迫的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件，最終闡明了褪黑素通過(guò)OsSGT1-OsABI5-OsAPX1模塊改善種子耐受性的分子機(jī)理。研究以“OsSGT1 promotes melatonin- ameliorated seed tolerance to chromium stress by affecting the OsABI5-OsAPX1 transcriptional module in rice”為題于2022年8月16日發(fā)表在國(guó)際植物學(xué)期刊《植物學(xué)雜志》（Plant Journal）上（DOI: 10.1111/tpj.15937）。我校為文章第一作者單位，農(nóng)學(xué)院李瑞清老師為論文第一作者。中國(guó)水稻所張華麗博士為論文通訊作者。農(nóng)學(xué)院鄭文寅老師、胡群文老師參與了該研究工作。該研究得到水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題和公益性基金項(xiàng)目的資助。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加劇，重金屬污染日益成為威脅人類健康和生態(tài)安全的全球性問(wèn)題。其中，鉻（Cr）被ATSDR列為最危險(xiǎn)物質(zhì)中的第7位，而國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer）則將其列為重要致癌物。在印度、東非、南美和中國(guó)等地均有不同程度的鉻污染。通過(guò)污染農(nóng)田和水體，鉻不僅會(huì)隨食物鏈進(jìn)入人體進(jìn)而危及人體健康，而且也會(huì)嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，比如抑制種子萌發(fā)、光合作用和礦質(zhì)的吸收等。利用外源化學(xué)物質(zhì)緩解Cr脅迫，是一種實(shí)際可行的方案，如納米顆粒（NPs）、油菜素內(nèi)酯（BRs）等。作為一種天然的抗氧化物，已有研究表明，褪黑素（Mel）可以顯著緩解鉻脅迫， 改善植物的生長(zhǎng)發(fā)育，但Mel緩解Cr（VI）毒性的分子機(jī)理尚不清楚。

研究發(fā)現(xiàn)，在水稻種子萌發(fā)過(guò)程中Mel可顯著緩解Cr脅迫，尤其是在OsSGT1-OE材料中可觀察到萌發(fā)性能的明顯改善，相反，OsSGT1和/或OsABI5的突變則顯著消除了Mel對(duì)Cr脅迫的緩解作用，嚴(yán)重抑制種子的萌發(fā)。生理生化試驗(yàn)表明，Mel不僅會(huì)抑制萌動(dòng)種子對(duì)Cr的吸收，而且還會(huì)改善營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)、促進(jìn)抗氧化系統(tǒng)的增強(qiáng)以及內(nèi)源GA激素的合成。遺傳分析試驗(yàn)表明，Cr脅迫下，恢復(fù)OsSGT1的表達(dá)并不能改善sgt1-1abi5突變體的弱萌發(fā)表現(xiàn)，但利用pOsSGT1::OsABI5則可使恢復(fù)sgt1-1abi5突變體中Mel介導(dǎo)的種子萌發(fā)和OsAPX1的顯著表達(dá)，因此OsSGT1是OsABI5的上游調(diào)控因子。通過(guò)DAP-seq分析結(jié)合EMSA、Y1H和Chip-qPCR等試驗(yàn)，確認(rèn)了OsABI5直接調(diào)控OsAPX1基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)；而OsAPX1編碼產(chǎn)物過(guò)氧化物酶則會(huì)加速H2O2清除以維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，這對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)至關(guān)重要。總之，該研究為Mel緩解重金屬脅迫的分子機(jī)理提供了直接證據(jù)，也為研究褪黑激素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了新思路。