New Phytol:中科院植物所徐文忠研究组揭示伴矿景天超富集重金属镉的高抗性分子机制

2017年6月2日，国际著名植物学期刊《New Phytologist》在线发表了中国科学院植物研究所徐文忠研究组的一篇研究论文，研究揭示了景天超富集重金属镉的高抗性分子机制。硕士毕业生刘桓为这2篇论文的第一作者，副研究员徐文忠为通讯作者。

镉是一类非必需重金属元素，对大多数生物包括动植物和人类都有很强的毒害作用。但自然界中却有极少数植物能在茎叶中富集大量的镉，而没有出现镉毒害症状，被称之为镉超富集植物。伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是在我国南方矿区发现的一种镉/锌超富集植物。因其对重金属镉和锌具有超强的抗性和富集能力，是目前镉污染土壤修复试验的一种主要的修复植物。然而，由于对这类植物缺乏直接有效的基因功能研究手段，目前人们对其超富集镉的高抗性分子机制并不清楚。

植物研究所王亮生研究组科研人员从伴矿景天中克隆到一个重金属转运蛋白基因SpHMA3，并通过首次建立这类镉超富集植物和非超富集生态型东南景天(Sedum alfredii)的稳定遗传转化系统，在景天植物中实现SpHMA3基因沉默和过表达。研究发现，SpHMA3蛋白定位于液泡膜上，对镉离子具有特异转运能力;SpHMA3基因在伴矿景天的地上部高丰度表达;通过RNAi沉默使该基因表达下降，在镉处理条件下地上部新生组织的生长受到严重抑制，但并不影响镉在地上部积累。这些结果表明，SpHMA3是伴矿景天进行镉解毒的关键基因，对植株在含镉土壤环境中维持幼叶正常生长发育发挥重要的作用。

研究首次直接揭示了镉超富集植物对镉高抗性的分子机制，为植物超富集重金属镉/锌的基因功能验证及阐明其分子机制建立了新的模式系统。另外一篇关于景天植物遗传转化的研究方法同期在线发表于国际学术期刊《Frontiers in Plant science》：A genetic transformation method for cadmium hyperaccumulator Sedum plumbizincicola and non-hyperaccumulating ecotype of Sedum alfredii。

(a)伴矿景天野生型和SpHMA3-RNAi转基因株系中SpHMA3基因表达情况;(b)伴矿景天野生型(WT)和SpHMA3-RNAi转基因株系(L1/L3/L4)镉处理条件下的表型观察(左图为50 μM Cd after 4 wk;右图为1450 ppm Cd after 4 months);(c)非超富集生态型东南景天野生型(WT)及其过表达SpHMA3株系(L1/L2)镉处理条件下的表型观察;(d)伴矿景天、东南景天野生型及其过表达SpHMA3株系(L1/L2)根、茎、成熟叶、幼叶中镉含量积累分析。

原文链接：

Heavy metal ATPase 3 (HMA3) confers cadmium hypertolerance on the cadmium/zinc hyperaccumulator Sedum plumbizincicola

原文摘要：

Cadmium (Cd) is highly toxic to most organisms, but some rare plant species can hyperaccumulate Cd in aboveground tissues without suffering from toxicity. The mechanism underlying Cd detoxification by hyperaccumulators is interesting but unclear.

Here, the heavy metal ATPase 3 (SpHMA3) gene responsible for Cd detoxification was isolated from the Cd/zinc (Zn) hyperaccumulator Sedum plumbizincicola. RNA interference (RNAi)-mediated silencing and overexpression of SpHMA3 were induced to investigate its physiological functions in S. plumbizincicola and a nonhyperaccumulating ecotype ofSedum alfredii.

Heterologous expression of SpHMA3 in Saccharomyces cerevisiae showed Cd-specific transport activity. SpHMA3 was highly expressed in the shoots and the protein was localized to the tonoplast. The SpHMA3-RNAi lines were hypersensitive to Cd but not to Zn, with the growth of shoots and young leaves being severely inhibited by Cd. Overexpressing SpHMA3 in the nonhyperaccumulating ecotype of S. alfredii greatly increased its tolerance to and accumulation of Cd, but not Zn.

These results indicate that elevated expression of the tonoplast-localized SpHMA3 in the shoots plays an essential role in Cd detoxification, which contributes to the maintenance of the normal growth of young leaves ofS. plumbizincicola in Cd-contaminated soils.