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Research Progress on Response Mechanism of Lycium barbarum to Heavy Metal Stress in Soil
WEIXiangning, LIUGenhong, XIAOMing
Research Progress on Response Mechanism of Lycium barbarum to Heavy Metal Stress in Soil
This study briefly describes the impact of pollution by five heavy metal elements, namely cadmium, chromium, arsenic, vanadium, and copper, on the growth and quality of Lycium barbarum and other crops. It summarizes the mechanisms of L. barbarum to cope with the stress of cadmium, chromium, arsenic, and other five heavy metals, as well as the research progress on detoxification of heavy metal stress at the subcellular level in L. barbarum. The study points out the existing problems in current research on L. barbarum response to heavy metal stress and future research directions, such as the migration and transformation of heavy metal content between soil and various parts of the L. barbarum, including roots, stems, branches, leaves, and fruits, the response mechanisms of L. barbarum to heavy metal stress, and molecular mechanisms, in order to provide references for the application and improvement of clean cultivation of L. barbarum.
Lycium barbarum / heavy metal / stress / soil / response mechanism {{custom_keyword}} /
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董静洲, 杨俊军, 王瑛. 我国枸杞属物种资源及国内外研究进展[J]. 中国中药杂志, 2008(18):2020-2027.
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杨雳, 白宗旭, 薄文浩, 等. 中国农田土壤重金属污染分析与评价[J]. 环境科学, 2024, 45(5):2913-2925.
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陈奕云, 唐名阳, 王淑桃, 等. 基于文献计量的中国农田土壤重金属污染评价[J]. 土壤通报, 2016, 47(1):219-225.
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陈文轩, 李茜, 王珍, 等. 中国农田土壤重金属空间分布特征及污染评价[J]. 环境科学, 2020, 41(6):2822-2833.
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肖明, 杨文君, 张泽, 等. 柴达木农田土壤Cd的积累及风险预测[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(5):1271-1279.
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黄昌勇, 徐建明. 土壤学(第三版)[M]. 北京: 中国农业出版社,2010:249-254.
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郭可欣, 李天元, 宋繁永, 等. 土壤-作物中重金属生物有效性和可给性研究进展[J]. 中国环境科学, 2023, 43(8):4164-4174.
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王忠. 植物生理学(第二版)[M]. 北京: 中国农业出版社,2008:238-240.
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李军, 李旭, 李开明, 等. 黄河流域农田土壤重金属污染特征及其优先控制源分析[J]. 环境科学, 2024, 45(3):1724-1738.
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覃仕扬. 枸杞子的安全性研究[D]. 北京: 北京协和医学院, 2011.
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翟夜雨, 黄五星, 袁岐山, 等. 植物镉毒害与硒对镉胁迫的缓解作用研究进展[J]. 河南农业大学学报, 2023, 57(3):372-382.
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李慧君, 明荔莉, 张文生. 植物对镉吸收、转运及耐性调控机制研究进展[J]. 生态毒理学报, 2022, 17(2):86-95.
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李素贞, 陈茹梅. ZIP蛋白在植物中的功能分析[J]. 生物技术通报, 2018, 34(11):1-7.
锌和铁是植物生长发育所必需的微量营养元素,在植物的光合作用、呼吸作用以及许多生化反应中起着非常重要的作用。植物体内锌铁处于平衡状态才能保证其正常的生长发育,而锌铁调控转运体ZIP对于锌铁吸收、转运及体内平衡的调节有重要作用。目前,对于植物中ZIP家族基因的研究有一定进展。对植物ZIP基因的表达、蛋白定位、酵母互补实验、过表达及基因敲除等研究结果进行综述,揭示了ZIP蛋白在植物发育过程中的作用。了解ZIP对于锌铁吸收、转运及体内平衡中的作用有助于通过转基因改良及常规育种将ZIP蛋白应用于农业生产上。
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余慧, 王静, 梁昕昕, 等. 宁夏枸杞铁镉响应基因的筛选及其功能验证[J]. 生物技术通报, 2023, 39(7):195-205.
为探讨铁(Fe)、镉(Cd)胁迫对宁夏枸杞LbFRO(ferric reduction oxidase)、LbZIP(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein)和LbNRAMP(natural resistance-associated macrophage protein)基因的表达模式的影响,为防治宁夏枸杞黄叶病、培育高效Fe利用枸杞品种和低镉累积品种提供理论基础及技术支持。以宁夏枸杞1号组培幼苗为试验材料,利用转录组测序技术分析筛选宁夏枸杞中与Fe和Cd吸收转运相关的基因;利用实时荧光定量PCR技术验证目的基因在Fe、Cd胁迫下的表达变化情况;利用常规PCR方法克隆获得全长序列并进行生物信息学分析;构建酵母表达载体转化Fe/Cd敏感型酵母菌株ΔCCC1/YK44进行转基因酵母功能验证。结果显示,LbIRT2、LbFRO以及LbNRAMP3受Fe和Cd胁迫后显著上调表达;系统进化树分析表明宁夏枸杞Fe、Cd响应基因与水稻和拟南芥亲缘关系较近;转基因酵母功能进一步验证了LbFRO、LbIRT2以及LbNRAMP3能增强酵母对Fe和Cd的敏感性。LbFRO、LbIRT2以及LbNRAMP3可能参与了枸杞对Fe和Cd的吸收和转运。
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梁昕昕, 辛亚平, 贾雪, 等. 宁夏枸杞幼苗叶片中抗氧化酶及游离氨基酸对镉胁迫的响应[J]. 生态毒理学报, 2021, 16(6):222-233.
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刘晓娟, 程滨, 赵瑞芬, 等. 铬在环境中的迁移行为及毒害研究进展[J]. 山西农业科学, 2018, 46(6):1061-1064.
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陈思宏. 铬化学形态分析与植物Cr(Ⅵ)吸收主要途径解析[D]. 南京: 南京农业大学, 2019.
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张潭. 柴达木地区几个主要树种的抗旱耐盐碱生理生化特征研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2019.
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刘萍涛, 杨涓, 康建宏, 等. 不同改良措施对盐碱地枸杞光合特征、产量和品质的影响[J]. 农业科学研究, 2024, 45(2):16-21.
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师荣光, 周其文, 赵玉杰, 等. 不同土地利用类型下土壤-作物砷的积累特征及健康风险[J]. 土壤学报, 2011, 48(4):751-758.
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王珮同. 水稻和拟南芥耐五价砷胁迫的机理研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2019.
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戴文韬. 拟南芥中亚砷酸盐转运的分子机制研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2012.
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肖明, 杨文君, 吕新, 等. 柴达木盆地干旱区灌溉枸杞田土壤砷空间变异及评价[J]. 农业工程学报, 2014, 30(10):99-105.
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于波, 臧淑艳, 房志浩. 砷对西瓜和哈密瓜种子萌发及其幼苗生长的影响[J]. 沈阳化工大学学报, 2017, 31(1):9-13.
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张盛楠. 外源植物激素对水稻和油菜耐镉砷胁迫的诱抗效应及生理机制[D]. 北京: 中国农业科学院, 2021.
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侯明, 陈如. 枸杞幼苗对钒(Ⅴ)的吸收动力学特性研究[J]. 土壤通报, 2014, 45(5):1247-1251.
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侯明, 陈如, 黄艳娇. 枸杞幼苗对钒胁迫的生理响应和积累特性[J]. 桂林理工大学学报, 2013, 33(4):688-693.
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侯明, 胡存杰, 熊玲, 等. 钒在枸杞幼苗中积累、转运及亚细胞分布[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(8):1514-1519.
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侯明, 赵军平, 李明沅, 等. 钒胁迫下枸杞和芥菜幼苗蛋白的分子分布研究[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(4):634-639.
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李娟, 全占军, 张春晖, 等. 植物铜耐性机理的研究进展[J]. 生态毒理学报, 2016, 11(3):53-60.
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司江英, 赵海涛, 汪晓丽, 等. 不同铜水平下玉米细胞内铜的分布和化学形态的研究[J]. 农业环境科学学报, 2008(2):452-456.
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孙艳雨, 张金羽, 郭东林. 植物铜转运蛋白研究进展及其应用价值[J]. 分子植物育种, 2021, 19(12):4014-4023.
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王彩艳, 开建荣, 王芳, 等. 枸杞果实、叶片、枝条中铜含量与土壤背景值相关性研究[J]. 宁夏农林科技, 2019, 60(5):61-62.
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刘清泉, 陈亚华, 沈振国, 等. 细胞壁在植物重金属耐性中的作用[J]. 植物生理学报, 2014, 50(5):605-611.
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潘秀, 刘福春, 柴民伟, 等. 镉在互花米草中积累、转运及亚细胞的分布[J]. 生态学杂志, 2012, 31(3):526-531.
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薛亮, 刘建锋, 史胜青, 等. 植物响应重金属胁迫的蛋白质组学研究进展[J]. 草业学报, 2013, 22(4):300-311.
重金属对生态系统造成的污染已成为全球关注的问题。植物对重金属的摄取不仅影响其正常生长,并能通过食物链来威胁人类及整个生态系统的健康。在mRNA水平上的基因表达分析,增强了人们对植物响应重金属的理解。然而,关于相关功能基因组翻译方面的问题仍未得到有效解决。通过分析鉴定相关响应基因和功能蛋白,获取翻译及翻译后水平上的信息,能为植物响应重金属胁迫提供更深层次的理解。本研究分析比较了近年来重金属胁迫蛋白组学研究技术,综述了植物响应重金属胁迫的蛋白组学研究进展,探讨从亚细胞蛋白组学水平解析植物解毒重金属过程的可能性,并提出未来该研究方向所面临的挑战及应对策略,为揭示植物与重金属相互作用的分子机制提供有效方法。
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Ethylene regulates many aspects of the plant life cycle, including seed germination, root initiation, flower development, fruit ripening, senescence, and responses to biotic and abiotic stresses. It thus plays a key role in responses to the environment that have a direct bearing on a plant's fitness for adaptation and reproduction. In recent years, there have been major advances in our understanding of the molecular mechanisms regulating ethylene synthesis and action. Screening for mutants of the triple response phenotype of etiolated Arabidopsis seedlings, together with map-based cloning and candidate gene characterization of natural mutants from other plant species, has led to the identification of many new genes for ethylene biosynthesis, signal transduction, and response pathways. The simple chemical nature of ethylene contrasts with its regulatory complexity. This is illustrated by the multiplicity of genes encoding the key ethylene biosynthesis enzymes 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) synthase and ACC oxidase, multiple ethylene receptors and signal transduction components, and the complexity of regulatory steps involving signalling relays and control of mRNA and protein synthesis and turnover. In addition, there are extensive interactions with other hormones. This review integrates knowledge from the model plant Arabidopsis and other plant species and focuses on key aspects of recent research on regulatory networks controlling ethylene synthesis and its role in flower development and fruit ripening.
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高铭, 周思莹, 李钧儒, 等. 紫花苜蓿MsMATE1基因克隆及其抵御铁胁迫功能的鉴定[J]. 植物遗传资源学报, 2021, 22(2):512-520.
多药和有毒化合物外排转运蛋白MATE能转运金属、激素、次生代谢物等多种底物,因而在植物的生长发育中发挥重要作用。本研究基于紫花苜蓿(Medicago sativa L.)基因组数据和缺铁胁迫的转录组数据,克隆获得紫花苜蓿MsMATE1及pMsMATE1启动子(GenBank登录号分别为MN547958和MT505313)。MsMATE1基因长1470 bp,编码489个氨基酸。系统进化分析表明,紫花苜蓿MsMATE1蛋白属于mate家族,与蒺藜苜蓿MtMATE(XP013453190.1)亲缘关系最近。生物信息学分析表明,MsMATE1具有典型的MATE_like超家族结构域,属于H+势驱动的真核亚类;MsMATE1为跨膜蛋白,二级结构的主要构成元件是α螺旋。pMsMATE1启动子长1598 bp,序列分析显示内含多个植物激素和逆境胁迫响应元件。MsMATE1在紫花苜蓿幼苗的根茎叶中都有表达,茎中的表达量最高。高铁和缺铁胁迫下,MsMATE1基因在紫花苜蓿幼苗各部位的表达显著上调,茎中上调最明显。高铁和缺铁胁迫,转MsMATE1基因烟草的3种抗氧化酶活性、叶绿素和可溶性蛋白含量显著增加,丙二醛含量显著降低。以上结果表明,MsMATE1在烟草中的异源表达提高了植物抵御高铁和缺铁胁迫的能力。MsMATE1可以作为应用基因工程方法改良植物铁胁迫耐受的重要候选基因,本研究为深入了解MsMATE1蛋白在植物响应铁胁迫中的分子机制奠定基础,MsMATE1基因应对其他金属胁迫或环境胁迫的功能有待于进一步鉴定。
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蔡保松, 雷梅, 陈同斌, 等. 植物螯合肽及其在抗重金属胁迫中的作用[J]. 生态学报, 2003(10):2125-2132.
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娄来清, 沈振国. 金属硫蛋白和植物螯合肽在植物重金属耐性中的作用[J]. 生物学杂志, 2001(3):1-4.
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陈国梁, 冯涛, 陈章, 等. 砷在农作物中的累积及其耐受机制研究综述[J]. 生态环境学报, 2017, 26(11):1997-2002.
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袁海静, 袁汉民, 彭健, 等. 宁夏陕西野生苦味枸杞调查及其化学成分分析[J]. 植物遗传资源学报, 2022, 23(5):1400-1413.
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王美娥, 彭驰, 陈卫平. 宁夏干旱地区工业区对农田土壤重金属累积的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(9):3532-3539.
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刘志坚, 董元华, 张琇, 等. 卫宁平原农用地土壤重金属污染特征与生态风险研究[J]. 生态环境学报, 2022, 31(11):2216-2224.
卫宁平原是黄河流域上游的生态保护关键带,也是著名地理标志产品“中宁枸杞”的唯一原产地,在此开展区域性土壤重金属污染及潜在生态风险评价,对改善土壤生态系统功能,保护优质特色农业具有重要意义。该研究以卫宁平原农用地为主要研究对象,采集2830件表层土壤样品,检测As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn共8项重金属元素与Al、Li、Sc、Ti共4项地壳稳定元素的含量。运用标准化法计算重金属元素的基线值,并以此作为污染评价模型的参照值;采用污染负荷指数法和Hakanson潜在生态风险指数法研究农用地土壤重金属的污染程度和生态风险,基于空间分析阐明土壤重金属污染的空间分布格局。结果表明:卫宁平原表层土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的环境地球化学基线值分别为14.51、0.29、79.61、0.05、34.57、26.42、23.95、73.49 mg·kg<sup>-1</sup>,土壤重金属平均含量均高于黄河流域土壤背景值;污染评价结果表明,土壤As、Cr、Ni污染程度较低,Cu、Pb、Zn污染程度较高,Cd、Hg污染程度最高,综合污染负荷指数总体以轻度污染为主;土壤重金属综合潜在生态风险以中度风险为主,Cd与Hg是导致潜在生态风险程度较高的最主要因子。空间分析表明,污染地块集中分布在城市-农用地交错带和工业园区-农用地交错带;密集的交通运输活动、钢铁冶炼和金属材料加工制造排放的废气及烟尘是土壤Cd、Cu、Pb和Zn污染的主要来源,乡镇企业及工业园区钢铁冶炼生产中的燃煤烟尘是土壤Hg污染的主要来源。该研究结果划定了因人为源输入而造成的重金属污染地块范围,可为黄河流域土壤重金属污染防治提供重要的数据支撑。
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孙普兵, 刘建宇, 刘文丽, 等. 微波消化—氢化物发生原子荧光法同时测定枸杞及其制品中的痕量砷和汞[J]. 检验检疫科学, 2007(6):15-17.
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