近日，西北農(nóng)林科技大學草業(yè)與草原學院劉金隆副教授在環(huán)境領域頂級期刊《Journal of Hazardous Materials》發(fā)表了題為“Rhizobium Symbiosis Modulates the Accumulation of Arsenic in Medicagotruncatula via Nitrogen and NRT3.1-like Genes Regulated by ABA and Linalool”的研究論文。草業(yè)學院碩士生葉遼遼、楊培志副教授和本科畢業(yè)生曾引偉為本論文共同第一作者，草業(yè)學院劉金隆副教授、生命學院青年教師高會玲博士和南京農(nóng)業(yè)大學鄭青松副教授為論文共同通訊作者。

 

　　砷污染已是一個全球性的問題。砷作為I類致癌物質(zhì)，易被植物吸收并在可食部位累積，進而通過食物鏈威脅到人類健康。該研究發(fā)現(xiàn)根瘤菌-根系共生可以顯著增強豆科植物蒺藜苜蓿的耐砷酸鹽能力，其中一種野生中華苜蓿根瘤菌Rm5038可以顯著降低植物地上部位砷的累積。砷酸鹽是有氧土壤中無機砷的主要存在形態(tài)，它被公認為磷酸鹽的類似物，因此很容易通過質(zhì)膜磷轉(zhuǎn)運體PHT1家族成員進入植物體內(nèi)，而外源施加磷也往往能夠拮抗砷酸鹽毒害并降低砷的累積。氮、磷和砷同屬VA族元素，該研究首次發(fā)現(xiàn)氮也能夠像磷一樣拮抗砷酸鹽對植物的毒害并降低砷的吸收累積，而且硝酸根轉(zhuǎn)運體nrt3.1突變體也能夠像磷酸根轉(zhuǎn)運體pht1.1突變體一樣對砷酸鹽脅迫耐受并累積更少的砷。蒺藜苜蓿NRT3.1相似基因NRT3.1L1能夠成功回補擬南芥nrt3.1突變體砷酸鹽耐受的表型。在砷酸鹽脅迫下，Rm5038共生能夠顯著增加植物地上部位中的氮和顯著降低根中NRT3.1Ls的表達，這有利于降低砷在植物體內(nèi)的累積。

 

　　通過aba2-1、pyr1/pyl1/2/4/5/8六突變體和abi1-2/abi2-2/hab1-1/pp2ca-1四突變體，該研究首次為ABA信號調(diào)控植物耐砷酸鹽能力提供了遺傳學證據(jù)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)與ABA同屬萜類的芳樟醇也能調(diào)控植物的耐砷性。ABA和芳樟醇都能夠促進NRT3.1Ls的表達，然而它們的生物合成均受NH4+的抑制，而NH3是根瘤固氮過程中首先形成的氮素形態(tài)，由此揭示了根瘤菌共生降低NRT3.1Ls表達的信號通路。另外，根瘤共生過程中可能還存在著除NH4+以外的其它未知信號途徑能夠促進地上部位中ABA和根中芳樟醇的生物合成，然后抑制除NRT3.1外的其它硝酸根轉(zhuǎn)運體基因NRTs的表達，以減少植物中的砷積累。

 

　　綜上結(jié)果表明，根瘤菌共生能夠通過氮以及ABA和芳樟醇對NRT3.1Ls的調(diào)控作用調(diào)控砷在宿主植物體內(nèi)的累積。該研究不僅揭示了根瘤共生調(diào)控豆科植物砷累積的分子機制，而且指出合適的根瘤菌菌株對于降低豆科植物中的砷積累至關重要，并認為硝酸根轉(zhuǎn)運體、ABA信號轉(zhuǎn)導和芳樟醇生物合成相關基因可以成為未來低砷作物分子育種的新的遺傳目標。

 

　　該研究得到國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、中國博士后科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費等項目的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125611