雷跃 杨仕梅 张天缘 赵德刚 宋莉

摘要：鯊烯合酶（SQS）是催化植物细胞合成甾醇和三萜类化合物的一种关键酶。为探明杜仲SQS基因家族成员的存在及其特性，本文通过生物信息学分析方法，对杜仲SQS基因（EuSQS）进行发掘，并对其进化关系、基因结构、保守基序、染色体定位、蛋白理化性质、空间结构、调控元件等进行分析。从杜仲基因组数据中获得3条EuSQS基因，它们分布于不同的scaffold上，有5 ～6个外显子;EuSQS蛋白含396～ 440 aa，相对分子质量为4573 ～ 4906 kDa，均属于不稳定蛋白，主要由α-螺旋和无规则卷曲构成;EuSQS1和EuSQS3在结构上较为接近，二者与EuSQS2差异较大;除含有基本元件外，EuSQSs的顺式作用元件还包括光照和激素响应、分生组织表达、逆境胁迫及类黄酮生物合成等六类;在进化关系上，杜仲EuSQSs与产胶植物橡胶草及橡胶树的亲缘关系较近。分析结果为进一步对EuSQS基因的功能鉴定和利用提供了依据。

关键词：杜仲鲨烯合酶基因;萜类化合物;生物信息学;基因结构;功能预测

中图分类号：Q8114

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）06-0001-07国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.06.001

Characteristic Information Analysis of Eucommia ulmoides SQS Gene

LEI Yue1，YANG Shi-mei1，ZHANG Tian-yuan1，ZHAO De-gang1，2，SONG Li1*

（1. Institute of College of Life Sciences and Agro-Bioengineering，Guizhou University/The Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region （Ministry of Education）/ Guizhou Key Lab of Agro-Bioengineering，Guiyang，Guizhou 550025，China; 2. Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Guiyang，Guizhou 550006，China）

Abstract：Squalene synthase （SQS ）is a key enzyme catalyzing the formation of sterols and triterpenes in plant cellsIn order to explore the  existence and characteristics of the  SQS gene family members of  Eucommia ulmoidesthe Eucommia ulmoides SQS genes （EuSQSs ）were screened and further analyzed for a better cognition by bioinformatic analysis including phylogenetic evolution，gene structure，conserved motif，chromosome positioning，the physicochemical properties，spatial structure and regulatory elements etcThe results showed that three EuSQS genes scattering different scaffold were obtained from the genome data，which have 5-6 of exonsEuSQS proteins were composed of 396-440 aa with a relative molecular weight of 4573 ～ 4906 kDaThe main structure of α- helix and random coil were found in these unstable proteinsEuSQS1 and EuSQS3 are similar in structure，but they are quite different comparing with EuSQS26 types of cis-acting elements related to gene regulation including basic elements，photoresponse，hormone response，meristem expression，stress tolerance and flavonoid biosynthesis also were found in the EuSQS genesIn terms of evolutionary relationship，Eucommia ulmoides EuSQS is closely related to the Taraxacum kok-saghyz and Hevea brasiliensis based on the phylogenetic analysisThis study preliminarily revealed the EuSQS molecular characteristics，which laid a good foundation for further study on the function of EuSQS genes.

在城市化和工业化不断发展过程中，土壤重金属污染的问题逐渐凸显，已对粮食安全构成严重威胁[1]。贵州省矿产资源丰富，磷矿、铝矿开采和冶炼是贵阳市的支柱产业，上世纪80年代小煤矿无序开采产生的环境污染仍未得到有效治理。同时，城市周边蔬菜产地养殖废水灌溉普遍存在，以上所述都属于典型的污染区域。研究表明：贵阳市周边土壤存在重金属污染[2]，工矿区土壤重金属均高于其他功能区，如白云区工业园（以铝工业为主）附近土壤重金属含量都超过贵州省背景值[3]，贵阳市某养殖废水污灌区土壤Cd严重超标[4]，花溪和乌当等地中Cd为特征污染元素[5]。贵阳市是喀斯特地质背景，碳酸盐岩和黑色岩系等母岩风化的土壤，重金属具有较高的本底值，属于重金属地球化学高背景区[6]。目前，对土壤重金属污染现状和评价研究较多，但对地质高背景下污染区农产品安全与农作物吸收富集规律的研究相对较少。

农产品中重金属富集特征一直是国内外研究的热点[7-8]，不同植物、相同植物不同品种对重金属的吸收积累效应都存在差异，通常用富集系数来表征植物对重金属的吸收及累积能力。何玉生等[9]对海口市四大蔬菜基地土壤-蔬菜系统重金属富集研究发现：叶菜类蔬菜中Pb、Cd、Cr等含量明显高于瓜果类;根据地上部Cd含量的显著性，可筛选出重金属低积累型的大白菜品种;蔬菜对不同重金属的富集能力表现为Cd>As>Cu>Pb>Hg>Cr[10]。另有研究表明[11]：不同品种的蔬菜对Cr富集差异较大，Cd次之，Pb、As和Hg相对较小。目前，镉米一直是土壤重金属和食物链安全研究的焦点。稻米镉超标除受土壤镉含量的影响外，土壤pH是最大的影响因素。酸性条件会促进水稻根系对Cd的吸收，往往在土壤Cd未超标的情况下也会生产出镉米。贵州省农产品重金属超标现象屡见报道，多数与矿产资源开发与利用有关。

为探讨地质高背景下典型污染区农产品重金属污染状况及安全风险，本研究选取贵阳市磷矿区、煤矿区、铝矿冶炼区和养殖废水灌溉区为研究区域，以没有外源污染的区域作为对照，对研究区的土壤、蔬菜及水稻重金属进行调查研究，为区域土壤重金属污染防治、蔬菜和水稻安全生产提供科学依据。

1材料与方法

11样品采集与处理

图1是不同污染区域分布图。以贵阳市各行政区（县）为划分规则，分别是：开阳县磷矿区（KY），是典型的磷矿资源开采区域;花溪煤矿区（JA），花溪区麦坪乡分布了很多小煤窑开采的废弃矿洞，现仍然在持续排放酸性矿山废水，没有得到有效治理;白云区铝矿冶炼区（BY），是中铝贵州分公司和贵州铝厂所在区域;乌当区养殖废水灌溉区（WD），以养猪场排放的废水作为灌溉水源;以清镇市红枫湖水上训练基地作为对照区（QZ）。每个研究区采集10～16个土壤样品，每个样品采集 0～20 cm 耕层土壤，采用不均匀的“S”形布点法，不少于5个点的混合样，用四分法取1～2 kg 后装在布袋里，共采集62个土壤样品。

以土壤样品对应采集蔬菜样品，包括葱、蒜苗、辣椒、豇豆、豆角、黄瓜、南瓜、茼蒿菜、空心菜、白菜、茄子、小瓜、萝卜、萝卜菜、稻米等十多种农产品品种，按照其生物特性将其分为瓜果类、叶菜类和根茎类。带回实验室后，选取可食部分，用自来水和去离子水洗净，晾干，放置于烘箱内85 ℃下杀青1 h，拿出样品待其降至室温后，放于烘箱70 ℃下至恒重（约3～4 h），粉碎后過60目筛，装入自封袋内，编号，待测。

12样品检测方法与数据处理

土壤样品采用王水进行水浴消解后测定;蔬菜样品采用硝酸￣电热板消解后测定;土壤和蔬菜待测液中重金属含量均采用美国热电Thermo电感耦合等离子体质谱仪X2（ICP￣MS）测定，整个分析过程所用试剂均为优级纯（GR），实验用水均为去离子水（DI water），所有玻璃器皿均在10%的硝酸中浸泡24 h以上。分析过程中采用空白样、平行双样，设置3组平行，并使用国家植物标准物质（GSV￣2）对农产品中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb浓度的分析测定进行质量控制。标准物质的回收率均在推荐值的95%～105%以内，土壤样品加标回收率为 92%～105%，样品回收率较好。所有数据均通过异常值检验筛选后采用Excel 2007、Origin80数据处理系统进行统计分析。

13土壤重金属污染评价方法

运用综合污染指数法中的内梅罗指数法[12]对各研究区进行环境风险评估，计算公式如下：

15富集系数（BCF）

富集系数（BCF）计算，是指植物体系某种重金属含量与土壤中对应元素含量的比值[8]，可以反映出植物对土壤重金属元素的累积能力。其计算公式为：

2结果与分析

21不同污染区土壤重金属污染评价

通过对污染区土壤综合污染指数评价（表1）可知：磷矿区、铝矿冶炼区和煤矿区，综合污染因子分别为118、117、134，达轻度污染水平。如图2所示，磷矿区土壤重金属Cd含量均值为046 mg/kg，对比农用地土壤污染风险筛选值（GB15618—2018），超标15倍，显著高于对照区;铝矿冶炼土壤主要受到附近赤泥堆的影响，赤泥渗透液造成该地土壤Cd及部分As超标。煤矿区土壤中Cu、Cd含量均值分别为8707、036 mg/kg，分别超标174和12倍（GB15618—2018），煤矿区Cu含量显著高于其余研究区，土壤pH为426，与磷矿区、对照区存在极显著差异（P<001），可能原因是该地水稻田灌溉水源自上游的酸性矿山废水。该地土壤有机质含量均值达14037 g/kg，显著高于磷矿区，与其余研究区无显著差异。养殖废水灌溉区土壤中土壤Pb含量显著高于铝矿冶炼区、煤矿区和对照区，土壤Cd、Zn含量均值为078和23119 mg/kg，Cd超标26倍（GB15618—2018），Cd、Zn含量均显著高于其余研究区，其污染指数为201（表1），达到中度污染水平。

运用土壤环境质量标准（GB15618—2018）对污染区土壤进行类别划分：Ⅰ类土壤为优先保护类，Ⅱ类土壤为安全利用类，Ⅲ类土壤为严格管控类。由表2可知，污染区土壤2个为Ⅲ类土壤外，其余45个土壤都属于Ⅱ类土壤，表明各污染区土壤均受到重金属污染。除Cr外，污染区土壤中其余重金属元素都存在不同情况的点位超标，Cd为特征污染元素，总点位超标率达8085%。

22不同污染区蔬菜和水稻重金属含量特征及污染评价

将研究区蔬菜按不同种类进行划分后，对比食品中污染物限量标准（GB2762—2017）表明（见图3），污染区各类蔬菜重金属均值含量未超过食品中污染物限量标准，煤矿区稻米样品中存在Cd、Cu、Zn超标的现象，说明当地利用矿山废水灌溉农田存在一定的环境风险，不利于水稻的种植。该区域土壤Zn不超标的情况下稻米受到污染，有可能是水稻生长过程中根系分泌小分子有机酸，促进了根系的差异性。再者，该地土壤pH低至448，有机质高达14037 g/kg，说明土壤中有机质含量的增加对重金属有效态含量具有促进作用。土壤酸化不仅是受煤矿开采的影响，也可能是黑色岩系风化的结果。有学者指出，黑色岩系风化过程会导致土壤pH过低[15]。

从单因子污染指数可以看出（表3），该批蔬菜中磷矿区辣椒和铝矿冶炼区豆角存在Cd污染现象（Pcd≥1），污染的主要原因在于对应土壤Cd点位超标和部分瓜果类蔬菜对Cd的富集能力较强，其余蔬菜均未受到污染（Pi<1），处于安全生产水平，食用较为安全;同种蔬菜在不同的重金属间单因子污染指数不同，不同种蔬菜在同种重金属中的污染指数也不同，这是由于不同研究区土壤污染状况不同以及蔬菜间的富集差异所致。根据综合污染指数来看，除上述蔬菜受Cd 影响导致轻度污染外，其他品种蔬菜都在清洁范畴内。煤矿区稻米存在不同程度的污染，最大综合污染指数达3983，单因子污染指数PCu﹥PCd﹥PZn﹥PPb﹥PAs﹥PCr，主要受到Cd、Cu、Zn的污染。利用目标危险系数法[16]（Target hazard quotient）模型计算出稻米中受污染元素Cd、Cu、Zn的THQ值分别为66、12、24，均大于1，表明3种元素对人体具有潜在健康风险。

23不同污染区蔬菜和水稻重金属生物富集特性

富集系数（BCF）指植物体内某种重金属含量与土壤中对应元素含量的比值[8]，可以反映出植物对土壤重金属元素的累积能力。

由表4可知，各研究区的蔬菜对重金属富集能力表现为Cd﹥Cu﹥Zn﹥As﹥Cr﹥Pb。从不同类型蔬菜对同种重金属吸收来看，叶菜类和根茎类中的Cd、Zn、Cu、As、Cr 5种元素大多都高于瓜果类。对于Cd的富集能力而言，不同类型蔬菜间表现为叶菜类>根茎类>瓜果类，其余元素在蔬菜种类间无明显规律。但贾丽等[17]对济南菜地重金属富集的研究中，表明重金属Cd的富集能力顺序为果菜类﹥叶菜类﹥茎菜类，与本研究不同。这可能是由于土壤的理化性质与土壤类型的不同，土壤理化性质主要是土壤酸化以及有机质含量不一带来的影响。土壤类型不同，其土壤中各类物质的生理机制也不同，这些差异便会波动重金属在蔬菜体内的富集效应。煤矿区（JA）的稻米富集能力强弱顺序为Cd﹥Zn﹥Cu﹥Pb﹥Cr﹥As，与王硕等[18]的研究一致。

3讨论与结论

31討论

各污染区土壤重金属污染特征不同，Cd为特征污染元素，磷矿区属于磷质石灰岩地质背景下Cd较高的土壤类型，加上磷矿开采产生的矿渣等是土壤重金属污染的主要原因;而铝矿冶炼区附近的赤泥堆在雨水冲刷下向土壤中渗漏，直接污染土壤，碱性废水也导致土壤pH升高;而煤矿区污染源是矿山废水的灌溉。查建军等人[19]的研究表明，使用酸性矿山废水灌溉农田，将会改变土壤结构变化和元素组成，是造成土壤重金属污染的重要原因。重金属生物有效性与土壤pH呈负相关，与有机质呈正相关[20]。本研究发现，由于酸性矿山废水的影响，煤矿区稻田土壤pH平均值为426，重金属生物有效性高，容易在土壤-作物系统中迁移。因此，稻米Cd、Cu、Zn超标倍数分别为67、11和15，THQ值均大于1，对人体具有潜在健康风险。本研究中，养殖废水灌溉区土壤有大量盐基离子积累，pH较高，重金属累积严重，综合污染指数最高，但生物有效性相对较低，重金属富集系数均小于1，富集能力弱，该区域蔬菜样品均未超标。

另外，不同类型蔬菜品种对同种重金属的富集状况不同，同类型蔬菜品种对不同种重金属的富集状况也有可能不同，Cd的富集能力最强，Pb的富集能力较弱。蔡宝新等[21]对云南农作物研究表明，玉米对Cd的富集明显高于其他金属元素，这是由于Cd在土壤中的移动能力较强，植物对其吸收能力也较强。相反，Pb在土壤中的移动能力较差，这可能是由于Pb在土壤中以化学吸附为主，在土壤中形成溶解度较小的沉淀。叶菜类蔬菜对Cd的富集明显高于其他类型蔬菜。刘意章等[22]研究表明，最弱的

叶菜类蔬菜平均Cd含量（干重）高达115 mg/kg，叶类作物具有较大的叶片面积、较快的生长率及蒸腾作用，通常易于富集 Cd 等重金属元素。煤矿区的稻米富集能力强弱顺序为Cd﹥Zn﹥Cu﹥Pb﹥Cr﹥As，Cd富集能力最强，As最弱。稻米对于As的富集有明显的特性，其根部对 As 的富集能力远高于其他植物，但其根系砷含量与生育初期相比降低50%～90% ，由于铁膜的缓冲层作用，稻米中As的含量很低[23]。

32结论

不同污染区土壤重金属综合污染指数均大于1，土壤污染严重;Cd的点位超标率达8085%，是特征污染元素。蔬菜重金属富集系数表现为Cd﹥Zn﹥Cu﹥As﹥Cr﹥Pb，均小于1，典型污染区蔬菜重金属的富集能力较弱，食物链风险较低。煤矿区稻米Cd、Cu、Zn超标倍数分别为67、11和15，THQ值均大于1，对人体具有潜在健康风险。

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