超氧化物歧化酶对水稻根系内皮层分化及镉积累的影响

王思宸; 吕韵瑄; 李萌; 郑惠文; 王昌全; 陶琦

doi:10.13417/j.gab.045.000362

基因组学与应用生物学 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (02) : 362 -373. DOI: 10.13417/j.gab.045.000362

超氧化物歧化酶对水稻根系内皮层分化及镉积累的影响

王思宸, 吕韵瑄, 李萌, 郑惠文, 王昌全, 陶琦

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摘要

本研究旨在阐明超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)在水稻(Oryza sativa L.)根系内皮层分化过程中的作用,及其对镉(cadmium, Cd)吸收与积累的影响和调控机制。以Cd低积累粳型水稻日本晴为研究材料,采用水培试验,设置空白处理(CK)、 10μmol/L Cd处理、 50μmol/L超氧化物歧化酶抑制剂DDC(2′,3′-dideoxycytidine)处理及其复合处理(10μmol/L Cd+50μmol/L DDC),通过转录组测序(RNA sequencing, RNA-seq)筛选Cd胁迫下DDC处理所引发的差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)及其富集通路;采用电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)与激光共聚焦显微镜分别测定组织Cd含量与表征根系内皮层分化特征,结合短距离运输实验评估其屏障功能;采用RT-qPCR技术检测内皮层分化关键基因Os PAL、 Os CASP1、 Os CYP450和Os KCS20的表达水平,从而揭示SOD在Cd胁迫下调控内皮层分化的机制。本研究发现SOD是水稻应答Cd胁迫的关键因子,其活性与组织Cd积累呈负相关。机制研究表明, SOD通过促进内皮层和外皮层中木质素与凯氏带-栓质层的形成,进而增强根系屏障功能。在镉胁迫下,外源添加DDC后使得凯氏带/软木脂发育起始点到根尖的距离占整根根长的比例显著增加,并显著下调内皮层分化相关基因Os PAL、 Os CASP1、 Os CYP450和OsKCS20的表达,转录组分析进一步证实, DEGs主要富集于二萜和苯丙烷生物合成途径。本研究揭示了SOD缓解水稻Cd胁迫的生理机制, SOD通过调控根系木质素/凯氏带-栓质层的沉积,增强内皮层屏障功能,从而降低Cd的积累,这可为作物Cd低积累机制的研究提供新视角。