張 威,杜 婕,黃亞群
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/國家玉米改良中心河北分中心,河北 保定 071000)
已有的研究顯示,金屬硫蛋白(Metallothionein,MT)能有效的緩解生物重金屬離子的毒害[4]。MT蛋白是一種富含半胱氨酸(Cys)低分子量的多肽[5]。其半胱氨酸殘基上的巰基對于金屬元素有很高的親和力,尤其是對銅(Cu)、鎘(Cd)、鋅(Zn)和鉛(Pb)等[6]。MT 蛋白一種作用方式是,與重金屬離子結(jié)合形成復(fù)合體,通過溶酶體從細(xì)胞質(zhì)排到細(xì)胞外,減輕重金屬對生物的不良影響[7];另一種作用方式是,在生物體內(nèi)維持金屬離子的穩(wěn)態(tài)平衡,在金屬離子較低時(shí)提供金屬離子,并將金屬離子輸送到所需的組織;當(dāng)金屬離子含量提高時(shí),又可以結(jié)合超量的金屬離子[7-8],或結(jié)合非必需金屬離子,來替換重金屬離子,從而消除其毒性[8]。
MT 蛋白廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中。根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3 種類型。其中,植物MT 蛋白大多數(shù)為Ⅱ型,依據(jù)半胱氨酸(Cys)的含量和分布,又分為MT1、MT2、MT3、MT4 4種亞型[7]。不同的MT 蛋白結(jié)合金屬離子能力大小存在著差異[9-10]。有關(guān)轉(zhuǎn)MT 基因在鎘脅迫和非脅迫條件下的表現(xiàn)存在不一致的看法。一類研究結(jié)果顯示,在非鎘脅迫下,植物過表達(dá)MT 個(gè)體較其野生型體內(nèi)的谷胱甘肽和半胱氨酸的含量有顯著增加[11],總?cè)~綠素含量增多[6],H2O2含量降低、細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷減少[12];在鎘脅迫下,植物轉(zhuǎn)MT個(gè)體較其野生型對照對不同金屬離子的耐受性有顯著提高[13-16],受傷害后能更快的得到恢復(fù)[7],葉綠素含量減少的幅度要低于野生型個(gè)體[6]。另外一類研究結(jié)果顯示,在重金屬鎘脅迫條件下,MT 轉(zhuǎn)錄因子在葉綠素含量方面發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[17];對轉(zhuǎn)PpMT2基因擬南芥葉片化學(xué)染色檢測,發(fā)現(xiàn)在正常處理?xiàng)l件下H2O2含量要高于其對照野生型,而在非鎘脅迫下,轉(zhuǎn)基因擬南芥H2O2含量更低[18]。為了解決單個(gè)研究材料、方法以及脅迫處理時(shí)間和程度等眾多限制因素的不同,導(dǎo)致研究結(jié)果表現(xiàn)出不同程度的差異,本研究利用Meta 分析方法,將多個(gè)獨(dú)立研究數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,定量評價(jià)過表達(dá)MT 轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控鎘脅迫過程中的作用,以期為進(jìn)一步培育耐(富集)鎘植物品種提供依據(jù)。
利 用EndNote X7 軟 件 從PubMed、Web of science,中國知網(wǎng)、萬方 4 個(gè)數(shù)據(jù)庫中,以“作物(Crop)/植物(Plant)”、“金屬硫蛋白(Metallothionein, MT)”、“重金屬脅迫(Heavy metal tolerance)”、“鎘脅迫(Cadmium, Cd)”為關(guān)鍵詞對發(fā)表在2010—2020 年間文獻(xiàn)進(jìn)行檢索,共檢索到了458 篇。
對上述檢索到的文獻(xiàn)再按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選:(1)剔除從不同數(shù)據(jù)庫中檢索到的相同研究;(2)至少應(yīng)包括一個(gè)表型評價(jià)指標(biāo)(如, 根長(Root length, RL)、丙二醛含量(Malondialdehyde content, MDA)、 過 氧 化 氫 含 量(H2O2content, H2O2)、鮮 重 (Fresh weight, FW)、干 重(Dry weight, DW)、葉 綠 素 含 量(Chlorophyll content, Chl));(3)剔除綜述、會議報(bào)告等非研究型文章;(4)每一個(gè)研究應(yīng)包含對照組和處理組,即包含植物野生型和轉(zhuǎn)基因型個(gè)體在非脅迫和脅迫下的試驗(yàn);(5)每一個(gè)處理應(yīng)至少包含3 個(gè)重復(fù);(6)若同一篇文獻(xiàn)中重金屬脅迫程度不同時(shí),將視為多個(gè)獨(dú)立的研究結(jié)果。
符合上述標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)共16 篇見文獻(xiàn)[7、14、16、18 ~30](9 篇英文文獻(xiàn)和7 篇中文文獻(xiàn)),87 個(gè)相對獨(dú)立的研究數(shù)據(jù)。在16 篇文獻(xiàn)中,有 9篇以煙草(Tabacoo)、6 篇以擬南芥(Arabidopsis)、1 篇以水稻(Oryza sativa)作為受體植物;供體植物有 木 豆(Pigeonpea)、菜 豆(Phaseolusvulgaris),水稻,檉柳(Tamarix androssowii)、巴西橡膠樹(Hevea brasiliensis)、芹 菜(Apiumgraveolens)、小 立 碗 蘚(Physcomitrella patens)等。
如果同一文獻(xiàn)包含多個(gè)不同的處理方法,將視為多個(gè)獨(dú)立的研究納入分析[31]。為了區(qū)分涉及同一作者的多個(gè)獨(dú)立研究,采用Author + year +英文字母后綴進(jìn)行區(qū)分。將提取數(shù)據(jù)按作者及文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間、題目、期刊名稱、轉(zhuǎn)錄因子類型、供體植物、受體植物等格式整理。
從已納入的文獻(xiàn)中提取對照組和處理組某一性狀指標(biāo)的均值(X)、樣本量(n)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD) 3 個(gè)統(tǒng)計(jì)量用于后續(xù)的分析。若文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)是以表格呈現(xiàn),則直接提取符合要求的數(shù)值;若表中的數(shù)是多個(gè)重復(fù)值,則計(jì)算出平均值后再納入。若文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)是以圖形呈現(xiàn),則利用GetData2.26 軟件進(jìn)行提取。若文獻(xiàn)中缺少樣本容量信息,則按樣本容量為1 處理。若研究中以標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)表示變異的,則利用公式(1)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。
高潮發(fā)短信的時(shí)候,田卓就坐在那里靜靜地等候著。發(fā)完短信,高潮一抬頭,看到田卓在等他,趕緊沖她歉意的一笑。
為了避免不同研究采用的測量單位和尺度上的差異,將在原始文獻(xiàn)中鎘脅迫或非鎘脅迫條件下轉(zhuǎn)基因個(gè)體及其野生型的絕對值轉(zhuǎn)換為響應(yīng)比(R)。在Meta 分析中,效應(yīng)大小采用響應(yīng)比的自然對數(shù)(lnR)表述,見式(2)。
XA代表轉(zhuǎn)基因植物在重金屬脅迫條件下(或MT 過表達(dá)轉(zhuǎn)基因)個(gè)體的表型值,XB代表非脅迫條件下(或野生型植物)個(gè)體的表型值。
采用Q檢驗(yàn)對納入的原始研究進(jìn)行異質(zhì)性分析。對異質(zhì)性較大的研究進(jìn)一步進(jìn)行亞組分析,以減少研究間的異質(zhì)性。Q統(tǒng)計(jì)量為標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)量的平方和(式(3))。該統(tǒng)計(jì)量常用于評價(jià)異質(zhì)性,但在研究數(shù)據(jù)較少的情況下,該檢測的有效性較差。I2為估計(jì)的觀測效果大小的真異質(zhì)性與總異質(zhì)性之比 (公式(4))。當(dāng)異質(zhì)性Q檢驗(yàn)(卡方檢驗(yàn))的p值大于0.1時(shí),認(rèn)為同質(zhì)性假設(shè)有效;否則,拒絕同質(zhì)性假設(shè),即認(rèn)為研究間存在著異質(zhì)性。
(3)式中,Xi為每個(gè)獨(dú)立研究的效應(yīng)值,M為所有研究的效應(yīng)值的均值,Si為每個(gè)獨(dú)立研究的標(biāo)準(zhǔn)差,df為自由度(納入研究的數(shù)量n減1)。式(4)中I2值為0% ~ 100%。若實(shí)際計(jì)算出I2值為負(fù)值,則視為0%。統(tǒng)計(jì)學(xué)上定義:I2值越大,異質(zhì)性越大;若I2=0%,則認(rèn)為各研究之間的差異是因抽樣誤差所致;若I2>0%,即認(rèn)為各研究之間存在著異質(zhì)性,通常將I2> 50%,認(rèn)定異質(zhì)性存在。將I2等于25%、50%和75%分位數(shù)上的值分別代表異質(zhì)性的低、中、高程度界限[32]。
用變化率(Change rate)表示轉(zhuǎn)基因個(gè)體及野生型個(gè)體之間的差異比率,計(jì)算公式如式(5)Change rate=(1-e(lnX))×100% (5)
采用R 統(tǒng)計(jì)軟件3.1 版( 混合效應(yīng)模型) 的Nlum 軟件包計(jì)算性狀指標(biāo)變異區(qū)間。如果森林圖中每個(gè)組合效應(yīng)值的95%置信區(qū)間與中心軸0 相交(即森林圖中每個(gè)獨(dú)立的水平線與垂直線相交),則認(rèn)為試驗(yàn)組與對照組的效應(yīng)值差異未達(dá)到顯著水平;相反,如果沒有交集,則試驗(yàn)組與對照組的效應(yīng)值有顯著差異(P< 0.05)。當(dāng)小點(diǎn)位于中心軸左側(cè)時(shí),表明MT 轉(zhuǎn)錄因子對性狀指標(biāo)起負(fù)調(diào)控作用,當(dāng)小點(diǎn)位于中心軸右側(cè)時(shí),則表示正向調(diào)控作用。越靠近中軸,MT 轉(zhuǎn)錄因子在性狀指標(biāo)中的作用越不顯著。
植物野生型個(gè)體在正常(非鎘脅迫)與脅迫條件下,在根長、過氧化氫含量、植物干重3 個(gè)性狀上存在顯著差異(圖1a)。其中,鎘脅迫對植物根長和干重呈負(fù)向影響,變化率分別為60.67%、98.07%;而對野生型個(gè)體過氧化氫含量呈現(xiàn)正向影響,變化率為423.40%(圖1a)。轉(zhuǎn)基因個(gè)體在鎘脅迫下,顯著降低個(gè)體的干重,變化率為97.88%(圖1b)。
圖1 野生型和過表達(dá)MT 轉(zhuǎn)基因型植物在不同條件下效應(yīng)值(lnR)Fig.1 Effect value of wild-type and overexpressed MT transgenic plants under different conditions(lnR)
在正常條件下,轉(zhuǎn)基因植物與其野生型在根長、丙二醛含量等6 個(gè)性狀指標(biāo)表現(xiàn)均無顯著差異(圖2a)。
在鎘脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因植物與其野生型在根長、過氧化氫含量、植物鮮重、葉綠素含量4 個(gè)性狀指標(biāo)上表現(xiàn)出顯著差異。其中,MT 轉(zhuǎn)錄因子對過氧化氫含量發(fā)揮負(fù)向調(diào)控作用,轉(zhuǎn)基因植株中H2O2含量比野生型低29.5%。在根長、植物鮮重、葉綠素含量這3 個(gè)指標(biāo)中,MT 轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮正向調(diào)控作用,其中發(fā)揮正向調(diào)控作用最大的是葉綠素含量,轉(zhuǎn)基因型植株中葉綠素含量要比其野生型個(gè)體高59.12%(圖2b)。
由表1 看出,在正常條件下,無論是轉(zhuǎn)基因植株還是其野生型植株,在干重和葉綠素含量2 個(gè)表型性狀呈顯著性差異。因干重僅納入3 個(gè)研究數(shù)據(jù),樣本量小,不需再做進(jìn)一步分析[20]。葉綠素含量納入了9 個(gè)研究信息(圖2a),且各研究間存在較大異質(zhì)性,需要對其進(jìn)行亞組分析。
表1 非鎘脅和鎘脅迫迫條件下6 個(gè)表型性狀異質(zhì)性分析Table 1 Heterogeneity analysis of 6 phenotypic traits under normal conditions and cadmium stress
鎘脅迫條件下,根長、干重、葉綠素含量3 個(gè)表型性狀呈顯著性差異,因干重只納入了4 個(gè)研究的數(shù)據(jù),認(rèn)為樣本個(gè)數(shù)少,故不再做進(jìn)一步的亞組間異質(zhì)性分析。根長和葉綠素含量分別納入15 個(gè)和18 個(gè)研究數(shù)目(圖2b),且2 個(gè)性狀的I2 均大于50%,存在較大異質(zhì)性,根長變化率為4.99%,葉綠素含量變化率為59.12%。因此,需要對根長、葉綠素含量做亞組分析。
圖2 相同處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)基因型植物與野生型加權(quán)效應(yīng)值Fig.2 Weighted effect values of transgenic plants and wild types under the same treatment conditions
2.4.1 鎘脅迫下植物根長的亞組分析 對鎘脅迫下根長在培養(yǎng)基質(zhì)、脅迫時(shí)間、脅迫程度、受體植物、受體類型5 個(gè)變量進(jìn)行亞組分析,發(fā)現(xiàn)MT 轉(zhuǎn)錄因子對根長起正向調(diào)控作用。
當(dāng)培養(yǎng)基質(zhì)為MS(或1/2 MS)培養(yǎng)基時(shí),轉(zhuǎn)基因植物的根長與其野生型呈顯著差異,變化率為89.09%(或55.18%)(圖3a)。
脅迫時(shí)間在1 ~15 d 內(nèi),轉(zhuǎn)基因植物根長與其野生型根長呈極顯著差異(P<0.01),變化率為55.32%;當(dāng)脅迫時(shí)間在15 ~30 d 內(nèi),轉(zhuǎn)基因植物和野生型植物根長呈現(xiàn)顯著差異,變化率為68.74%,隨著脅迫時(shí)間的延長,MT 轉(zhuǎn)錄因子對根長的調(diào)控作用逐漸增強(qiáng)(圖3b)。脅迫程度較低時(shí),呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01),變化率為66.55%;當(dāng)脅迫程度中等或較高時(shí),雖沒有呈現(xiàn)顯著性差異,但轉(zhuǎn)基因植物的根長要高于其野生型(圖3c)。受體類型為雙子葉植物時(shí),均呈現(xiàn)顯著性差異,變化率分別為70.17%(圖3d)。受體植物類型為煙草、擬南芥時(shí),轉(zhuǎn)基因植物個(gè)體與其野生型個(gè)體的根長呈顯著差異,變化率分別為175.35%、59.89%,當(dāng)受體植物為煙草時(shí),轉(zhuǎn)基因植物與野生型植物的根長相差最大(圖3e)。
圖3 鎘脅迫條件下MT 轉(zhuǎn)錄因子對植物根長表型指標(biāo)影響的效應(yīng)值及其95%的置信區(qū)間Fig.3 Effect values and 95% confidence intervals of MT transcription factors on plant root length phenotypic indicators under cadmium stress
2.4.2 不同條件下植物葉綠素含量亞組分析 正常條件下,對受體植物、培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)基質(zhì)、供受體類型等6 個(gè)變量進(jìn)行亞組分析,發(fā)現(xiàn)只在MS 培養(yǎng)基這1 個(gè)解釋變量下,植物轉(zhuǎn)基因植株與野生型個(gè)體在葉綠素含量上存在極顯著差異(P<0.01),轉(zhuǎn)基因植株葉綠素含量比野生型植物葉綠素含量高12.52%(圖4-1c)。
圖4 非鎘脅迫條件下MT 轉(zhuǎn)錄因子對植物葉綠素含量表型指標(biāo)影響的效應(yīng)值及其95%的置信區(qū)間Fig.4 Effect values and 95% confidence intervals of MT transcription factors on plant chlorophyll content phenotypic indicators under non-cadmium stress
鎘脅迫條件下,對脅迫程度、脅迫時(shí)間、受體植物類型等變量進(jìn)行亞組分析,發(fā)現(xiàn)葉綠素含量在中度脅迫、高度脅迫、脅迫時(shí)間在1 ~5 d、大于等于30 d、受體類型為煙草這5 個(gè)指標(biāo)上呈顯著性差異(P<0.05),且均為正向調(diào)控,其中高度脅迫下,野生型個(gè)體與其轉(zhuǎn)基因植株的葉綠素含量差異最大,變化率為138.45%(圖4-2a);且2 種類型個(gè)體中的葉綠素含量會隨著脅迫程度增強(qiáng)達(dá)到極顯著差異,變化率由29.90%到138.45%(圖4-2a)。從脅迫時(shí)間來看,鎘脅迫在1 ~15 d,轉(zhuǎn)基因植株與其野生型個(gè)體的葉綠素含量呈極顯著差異(P<0.01),變化率為75.66%,當(dāng)脅迫時(shí)間到15 ~30 d,轉(zhuǎn)基因植物與野生型植物的葉綠素含量無差異,當(dāng)脅迫時(shí)間大于等于30 d 時(shí),轉(zhuǎn)基因植物與野生型植物的葉綠素含量呈顯著差異(P<0.05),變化率為53.87%(圖4-2b)。當(dāng)受體植物為煙草時(shí),轉(zhuǎn)基因植物與野生型植物的葉綠素含量呈極顯著差異(P<0.01),變化率為92.97%(圖4-2c)。
圖5 鎘脅迫條件下MT 轉(zhuǎn)錄因子對植物葉綠素含量表型指標(biāo)影響的效應(yīng)值及其95%的置信區(qū)間Fig.5 Effect values and 95% confidence intervals of MT transcription factors on chlorophyll content phenotypic indexes of plants under cadmium stress
已有研究表明,在鎘脅迫下,過氧化物含量明顯升高,過氧化過程產(chǎn)生新的自由基,膜的完整性受到破壞[33],植物根長顯著縮短,干重顯著變輕[34]。植物體中鎘的持續(xù)積累,會更進(jìn)一步影響光反應(yīng)和暗反應(yīng)的進(jìn)程以及葉片氣孔的閉合[35],降低葉片葉綠素含量,降低電導(dǎo)率[36],抑制碳同化,加速葉片衰老,破壞植物光合作用,最終導(dǎo)致光合效率下降,影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[37]。本文Meta 分析結(jié)果同樣顯示,無論是野生型還是轉(zhuǎn)MT 基因植株在鎘脅迫下其根長、葉綠素含量和植株干重均顯著降低,而過氧化氫含量顯著增加。
崔廣娟[38]、王利芬[39]等人通過對豆科、菊科植物進(jìn)行鎘脅迫試驗(yàn)表明植物在鎘脅迫下總根長和根表面積隨著 Cd 濃度的增加逐漸下降, Meta 分析也獲得了相同的研究結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn),野生型植物受到鎘脅迫后,與其對照組相比根長的長度顯著縮短;而轉(zhuǎn)基因植物在脅迫前后的根長沒有明顯差異。在正常條件下,野生型個(gè)體的根長與轉(zhuǎn)基因植株的根長沒有表現(xiàn)出顯著差異;當(dāng)受到鎘脅迫時(shí),野生型的根長要顯著低于轉(zhuǎn)基因植株。本研究亞組分析發(fā)現(xiàn),MT 基因?qū)ΩL呈正向調(diào)控作用,致使轉(zhuǎn)基因植株的根長受鎘脅迫影響較小,從而增強(qiáng)了該植物對鎘的抗性,保證其正常生長。
H2O2是植物長期處于非生物脅迫的條件下產(chǎn)生的一種有害的生物化學(xué)物質(zhì)。杜佳[6]通過研究檉柳MT3基因在擬南芥中的功能發(fā)現(xiàn),在未經(jīng)鎘脅迫時(shí)轉(zhuǎn)基因擬南芥可以降低植物體內(nèi)H2O2含量,減少細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷。Liu[18]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片在正常處理?xiàng)l件下H2O2含量要高于其對照野生型,而在鎘脅迫下與野生型相比,轉(zhuǎn)基因擬南芥具有更好的滲透保護(hù)作用和較低的脂質(zhì)過氧化作用,這與本文研究結(jié)果相一致。Meta 分析發(fā)現(xiàn)野生型植株H2O2含量在鎘脅迫前后有顯著增加,而轉(zhuǎn)基因植株H2O2含量增加并不顯著;在正常條件下,野生型與轉(zhuǎn)基因植株的H2O2含量無顯著差異;而在鎘脅迫條件下,野生型植株的H2O2含量與轉(zhuǎn)基因呈顯著性差異,且野生型個(gè)體內(nèi)積累的過氧化物含量要高于轉(zhuǎn)基因植株,轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗H2O2傷害的能力。
已有的報(bào)道顯示,MT 基因?qū)φ{(diào)控葉綠素含量的作用上有不一致的看法。Kumar[3]、Balasundaram[28]等人認(rèn)為,MT 具有清除活性氧自由基的功能,鎘脅迫下轉(zhuǎn)MT 基因煙草葉綠素含量明顯高于野生型對照,過表達(dá)MT 轉(zhuǎn)基因型植物的葉綠素含量減少的幅度要低于野生型對照。但是,范仲學(xué)等[29]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在CdCl2濃度為400 μmol/L 時(shí),SorMT2c轉(zhuǎn)基因煙草的葉綠素含量要明顯低于野生型;Rono等[30]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在10 μmol/LCd 處理下OsMT1e轉(zhuǎn)基因水稻葉片的葉綠素含量低于野生型。本文通過Meta 分析發(fā)現(xiàn),在鎘脅迫程度、脅迫時(shí)間、受體類型不一致的情況下,轉(zhuǎn)MT 基因的植株與其野生型對照葉綠素含量存在顯著差異。具體表現(xiàn)為:(1)在鎘脅迫為高濃度、受體植物為煙草時(shí),葉綠素含量受脅迫時(shí)間的影響。當(dāng)脅迫時(shí)間為1 ~15 d,轉(zhuǎn)MT 植物葉綠素含量顯著高于野生型對照;當(dāng)脅迫時(shí)間超過30 d,轉(zhuǎn)MT 植物與其野生型對照的葉綠素含量間差異不顯著。MT 基因在植物鎘脅迫小于15 d 時(shí)對葉綠素含量的調(diào)控作用更強(qiáng),隨著鎘脅迫時(shí)間的延長,調(diào)控效果減弱,但要比野生型植物葉綠素含量高,在一定程度上起到維持葉綠素含量的作用,從而提高植物光合作用,保證了植物的產(chǎn)量。(2)當(dāng)脅迫時(shí)間大于等于30 d、受體植物為煙草時(shí),轉(zhuǎn)MT 植物與其野生型對照的葉綠素含量在脅迫程度上無明顯差異。
本研究還發(fā)現(xiàn),目的基因來源不同,轉(zhuǎn)基因株系中目的基因表達(dá)的量不同,重金屬運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制不同,也就會導(dǎo)致葉綠素含量不同。鎘作為非必需的金屬元素,在植物體內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)制還不十分明確, MT 基因是否會通過鎘離子調(diào)控或影響其它必需元素(鐵、鎂等)的吸收、運(yùn)輸,從而影響到葉綠體合成的機(jī)制有待進(jìn)一步探究。