ナノスケールのゼロ価鉄は鉄/カドミウム輸送体を調節し、土壌中のカドミウムを固定化することで、カドミウムを含まない稲の生産を可能にした

Nano-scale zero valent iron modulates Fe/Cd transporters and immobilizes soil Cd for production of Cd free rice.

• Titir Guha
• Sandip Barman
• Amitava Mukherjee
• Rita Kundu

抄録

ここ数十年、ナノスケールのゼロバレント鉄（nZVI）が重金属除去のための有望なアプローチであることがわかってきた。本研究は、イネのカドミウム（Cd）ストレスを改善するためのnZVIの役割を、トランスポーター遺伝子の発現、農学的パラメータ、穀物の栄養状態への影響とともに明らかにした最初の報告である。当初、3 種類のカドミウム濃度（10, 50, 250μM）と nZVI 濃度（50, 100, 200mgL）を選択した。生育パラメータ,光合成色素含量及び脂質過酸化率に基づいたPCA分析の結果、10μMのカドミウムの修復には100mgLのnZVIが最も適していることが確認された。また、nZVIで処理したイネの苗は、液胞内のカドミウムキレート化を助けるフィトケラチンのアップレギュレーションを示した。走査型電子顕微鏡による根の形態の研究と共焦点顕微鏡による活性酸素イメージングは、nZVIがカドミウムの取り込みによる酸化ストレスを緩和できることを確認した。nZVI処理したイネの苗では、鉄とカドミウムの取り込みに関与する鉄（Fe）トランスポーター（IRT1,IRT2,YSL2,YSL15）の遺伝子発現が有意に低下したのに対し、OsVIT1とOsCAX4の遺伝子は過剰に発現し、液胞内にカドミウムを封じ込めることにつながった。また、鉛を用いたCd局在化アッセイでは、nZVI処理によりCdの転座が減少することが証明された。さらに、我々の知見を検証するために、ポット実験を実施したところ、nZVI は土壌中のカドミウムを固定化することができ、収量の向上に加えて、米粒へのカドミウムの蓄積を防止することがわかった。

In recent decades, nanoscale zero valent iron (nZVI) has been found to be a promising approach for heavy metal remediation. This study is the first report highlighting the role of nZVI to ameliorate Cadmium (Cd) stress in rice along with its effects in expressions of transporter genes, agronomic parameters and grain nutrient status. Initially, 3 concentration of Cd (10, 50, 250 μM) and nZVI (50, 100, 200 mg L) were selected. PCA analysis based on growth parameters, photosynthetic pigment contents and lipid peroxidation rate confirmed that 100 mg L nZVI was most suitable for remediation of 10 μM Cd. It was evident that, nZVI can alleviate Cd-induced toxic effects by enhancing antioxidant defense mechanisms and other physiological processes in plants. nZVI treated rice seedlings also showed upregulation of phytochelatins which aided in Cd chelation within vacuoles. Study of root morphology with scanning electron microscopy and ROS imaging with confocal microscopy confirmed that nZVI could alleviate oxidative stress due to Cd uptake. In nZVI treated rice seedlings, gene expressions of iron (Fe) transporters (like, IRT1,IRT2,YSL2,YSL15) which are responsible for both Fe and Cd uptake were significantly down-regulated whereas, OsVIT1 and OsCAX4 genes were over expressed which lead to sequestration of Cd in vacuoles. Cd localization assay with leadmium proved that Cd translocation was reduced with nZVI treatment. To further validate our findings a pot experiment was carried out where it was found that nZVI could immobilize Cd in soil prevented accumulation of Cd in rice grains in addition to improving yield.

Copyright © 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.