EP南农沈文飚：NMT发现H2S可提升CH4抑制紫花苜蓿吸Cd效果

基本信息

主题：NMT发现H₂S可提升CH₄抑制紫花苜蓿吸Cd效果

期刊：Environmental Pollution

影响因子：6.792

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Methane control of cadmium tolerance in alfalfa roots requires hydrogen sulfide

作者：南京农业大学沈文飚、Xinghao Yang

检测离子/分子指标

Cd²⁺

检测样品

紫花苜蓿根伸长区（距根尖顶端500 μm根表上的点）

硫化氢（H₂S）是响应重金属胁迫的气态信号，而最普遍的温室气体甲烷（CH₄）则赋予镉（Cd）耐受性。本研究评估了CH₄和H₂S调控紫花苜蓿（Medicago sativa）Cd耐受性的因果关系。本研究结果表明，CH₄的加入不仅加剧了H₂S代谢，而且减缓了Cd对紫花苜蓿幼苗生长的抑制作用，这与缓解根系组织氧化还原失衡和细胞死亡的作用是并行的。在去除内源H₂S后，无论是在亚牛磺酸（HT；H₂S清除剂）还是DL炔丙基甘氨酸（PAG；H₂S生物合成抑制剂）存在下，根中都没有观察到上述结果。利用原位非损伤微测技术（NMT）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实了H₂S参与CH₄抑制Cd在根部的内流和积累，这可以通过重新建立谷胱甘肽（GSH）库（还原型/氧化型GSH和同型谷胱甘肽）稳态和促进抗氧化防御来解释。总的来说，本文的研究结果清楚地揭示了H₂S在CH₄下游起作用，增强了对Cd胁迫的耐受性，这对基础和应用植物生物学都有重要意义。

离子/分子流实验处理

4日龄紫花苜蓿分别在1.30 mM CH₄、100 mM NaHS、1 mM HT和2 mM PAG中处理6 h，然后100mM CdCl₂ 处理72 h。

进一步利用NMT监测根尖Cd²⁺流速。当幼苗暴露在未经Cd处理的Cd测试液中时，Cd在根尖的内流速率先增大，随后减小到一定水平并保持相对稳定（图1D, E）。当幼苗的根尖在Cd测试液中预平衡30 min后，可以清楚地观察到10 min内的稳定Cd²⁺内流速率（图1F, G）。相比之下，无论在有无Cd测试液预平衡的实验中，CH₄和H₂S都能明显降低Cd的内流速率，然后在加入HT和PAG后Cd²⁺速率被逆转（图1D-H）。同时，在只用HT或PAG处理的样品中，观察到Cd²⁺吸收加剧。上述结果清楚地说明了内源性H₂S在CH₄减少Cd积累和Cd吸收中的重要作用。

图1. H₂S是CH₄减少Cd积累和抑制的必要条件。负值代表Cd²⁺吸收。

其他实验结果

• CH₄减轻Cd胁迫下根尖细胞死亡可能与H₂S有关。

• LCD依赖的H₂S合成有利于CH₄抵御Cd胁迫。

• 内源H₂S在CH₄缓解Cd积累中起作用。

• 谷胱甘肽库在CH₄响应中的作用依赖于H₂S。

• 重建CH₄氧化还原稳态需要内源H₂S。

本研究结果表明，在植物对Cd胁迫的耐受性上，H₂S在CH₄的下游起作用，包括从表型上减弱Cd诱导的生长抑制，缓解氧化还原失衡和细胞死亡，特别是抑制Cd在紫花苜蓿幼苗根部的内流和积累。总之，本研究的发现将为了解CH₄如何介导植物对重金属的耐受性和内源H₂S的生理功能开辟了新的途径。

测试液

0.1 mM CdCl₂, 0.1 mM KCl, 0.3 mM MES, pH 5.8

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，南京农业大学于2018年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117123

关键词：镉胁迫；谷胱甘肽稳态；硫化氢；甲烷；紫花苜蓿