摘要
土壤中的金属污染随着人类活动的增加而逐渐加剧。应用植物对金属污染土壤进行修复是一种低成本且环境友好的修复方式。过量的金属离子积累会对植物的正常生理代谢和产量等造成不利影响。因此，提高植物的金属离子胁迫抗性，对改善植物生长状况、提高环境修复效率具有十分重要的意义。液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白（Na+/H+Antiporter 1, NHX1）及其编码基因（NHX1基因）的表达可以受到多种金属离子胁迫的诱导。研究表明NHX1在提高植物对过量Na+耐受方面具有重要作用。然而，有关NHX1在植物抵御其他金属离子胁迫过程中的功能研究还很有限。本文利用通过从碱蓬（Suaeda salsa）中获得的SsNHX1基因、从盐角草（Salicornia europaea）中获得的SeNHX1基因、以及以二者为模板经DNA家族洗牌（DNA family shuffling）得到的新NHX1基因（SseNHX1基因），对NHX1在烟草抵御不同金属离子胁迫时的功能进行研究，并对其调控机理进行探索。烟草是研究植物非生物胁迫的重要模式生物，因此选取烟草为研究对象。 首先通过NHX1抑制剂添加实验和过表达NHX1基因实验，对NHX1在烟草抵御Cd胁迫过程中的参与情况进行探索。结果发现，相比于只受到Cd胁迫的组别，添加NHX1抑制剂后，烟草的生物量、叶绿素含量降低，丙二醛（Malondialdehyde, MDA）含量增加。过表达NHX1基因（包括SsNHX1基因、SeNHX1基因和SseNHX1基因）烟草幼苗的Cd抗性均有明显提高，初步说明NHX1基因在烟草抵御Cd胁迫过程中具有重要功能。 为进一步探究NHX1与植物Cd抗性的关系，本研究对Cd胁迫下过表达SsNHX1基因、SeNHX1基因和SseNHX1基因烟草地上部分（叶片）的生理变化进行分析。结果表明，与非转基因烟草相比，NHX1基因过表达烟草中Cd积累减少，Na+、K+积累量增加。此外，Cd胁迫下NHX1基因过表达烟草的生物量、叶绿素含量和光合作用能力有明显提升，且烟草叶片中活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）及MDA的积累均明显降低，这可能是NHX1基因过表达烟草中离子含量的变化引起的。这些结果进一步说明，过表达NHX1基因能够通过减少Cd积累、调节Na+/K+平衡等降低转基因烟草的氧化损伤水平、提高烟草抵御Cd胁迫的能力。此外，研究还发现过表达经DNA family shuffling后获得的SseNHX1基因烟草的Cd抗性较过表达SsNHX1基因、SeNHX1基因烟草更强。 为进一步探究过表达 NHX1 基因提高烟草 Cd 抗性的机制，本研究以SseNHX1基因作为NHX1基因的代表，对Cd胁迫下SseNHX1基因过表达烟草地 下部分（根系）的生长、内生细菌群落差异及根际土壤的酶活变化进行分析。结果表明，Cd胁迫下NHX1基因过表达烟草与非转基因烟草的根系内生细菌群落多样性在属（Genus）水平差异显著。Sphingomonas、Steroidobacter和Actinoplanes是Cd胁迫下NHX1基因过表达烟草的重要内生细菌。此外，与非转基因烟草相比，Cd胁迫下转基因烟草根际土壤酶活性提高，烟草根系的氧化损伤水平降低、Cd积累量减少。这些结果表明，过表达NHX1基因引起的Cd积累降低，造成了Cd胁迫下烟草根系的内生细菌群落变化。这些变化可能与根际土壤酶活性提高、烟草根系抗氧化防御系统增强以及烟草Cd抗性提高关系密切。 还选取Li（I）、Pb（II）、Cr（III）和Cr（VI）作为代表，利用SseNHX1基因过表达烟草，探究植物对不同价态金属离子胁迫的抗性与NHX1的关系。结果发现，与野生型烟草相比，不同价态金属离子胁迫下过表达NHX1基因通过降低胁迫金属从根系向叶片的转移、增加根系液泡中胁迫金属含量来调节转基因烟草的金属离子胁迫抗性。此外，随着胁迫金属离子价态的升高，过表达NHX1基因对胁迫金属的迁移和在液泡中胁迫金属积累水平的影响逐渐减弱，这可能是造成NHX1基因过表达烟草金属离子胁迫抗性随胁迫金属离子价态升高而降低的原因。本研究为NHX1参与下植物抵御不同价态金属离子胁迫的研究提供了理论依据。 综上所述，NHX1通过调节烟草中胁迫金属的积累、转运和存储等影响了烟草内生细菌群落多样性、ROS积累、抗氧化酶活性以及根际土壤酶活等，参与了烟草抵御不同金属离子胁迫的过程。此外，过表达NHX1基因烟草的金属离子胁迫抗性随胁迫金属离子价态的升高而减弱。本研究对阐明NHX1在植物抵御不同金属离子胁迫中的功能和机理、提高植物修复效率具有理论意义和潜在的应用价值。
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