佛山大學(xué)國際膜團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新疆生地所揭示褪黑素通過多重機(jī)制增強(qiáng)植物鎘耐受性

土壤鎘（Cd）污染嚴(yán)重威脅作物產(chǎn)量與食品安全，綠豆（Vigna radiata）作為全球重要的豆類作物，對(duì)鎘毒性高度敏感，其營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)、光合作用及氧化還原平衡易受鎘破壞。褪黑素（melatonin，Mel）作為一種多效性信號(hào)分子，在緩解非生物脅迫方面展現(xiàn)出潛力，但其在植物鎘耐受性中的作用機(jī)制尚未明確。

近日，佛山大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院黃麗萍副教授團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology and Biochemistry在線發(fā)表了題為Melatonin improves nutrient uptake and confers Cd tolerance in mung bean via Cd detoxification and redox regulation的研究論文，系統(tǒng)揭示了褪黑素通過整合鎘解毒、營養(yǎng)調(diào)控與氧化還原平衡維持植物鎘耐受性的分子機(jī)制，為理解褪黑素在植物重金屬脅迫響應(yīng)中的作用提供了新視角。

該研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可通過下調(diào)植物根部金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（ZIP1、YSL3）的表達(dá)，抑制鎘離子從根系環(huán)境向細(xì)胞內(nèi)的跨膜運(yùn)輸，同時(shí)上調(diào)植物鎘抗性蛋白（PCR2）與重金屬ATP酶（HMA）的表達(dá)，促進(jìn)鎘在葉片細(xì)胞壁的沉積與液泡內(nèi)的區(qū)室化，減少鎘對(duì)細(xì)胞器的毒性損傷。更為重要的是，褪黑素能激活質(zhì)膜H+-ATP酶活性，為鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（HAK5）與硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體（NRT1/NRT2）提供能量，恢復(fù)受鎘抑制的硝酸還原酶（NR）-谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶（GS-GOGAT）通路，維持胞內(nèi)鉀、氮營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)；同時(shí)，褪黑素通過提升超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶活性及植物螯合肽（PCs）合成，清除鎘誘導(dǎo)的活性氧（ROS），維持氧化還原平衡，進(jìn)而改善植物光合性能（葉綠素含量與光系統(tǒng) II 效率提升）。

為了從分子層面解析褪黑素介導(dǎo)鎘耐受性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確其對(duì)植物基因表達(dá)的全局影響，研究通過轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）對(duì)鎘脅迫下褪黑素處理組與未處理組的植物葉片進(jìn)行差異表達(dá)分析：結(jié)果顯示，相較于單獨(dú)鎘處理組，褪黑素處理組共鑒定出2695個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），其中763個(gè)基因顯著上調(diào)、1932個(gè)基因顯著下調(diào)；這些DEGs顯著富集于金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)（如下調(diào) ZIP1、YSL3，上調(diào) PCR2、HMA）、細(xì)胞壁生物合成（如纖維素合成酶基因）、活性氧（ROS）清除（如SOD、CAT、APX相關(guān)基因）及氮鉀營養(yǎng)代謝（如 HAK5、NRT1/NRT2、NR、GS 相關(guān)基因）等通路，且與生理層面觀察到的鎘區(qū)室化增強(qiáng)、氧化損傷減輕、營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)恢復(fù)等表型高度一致；進(jìn)一步通過實(shí)時(shí)熒光定量 PCR（qPCR）驗(yàn)證關(guān)鍵DEGs的表達(dá)模式，證實(shí)褪黑素可通過靶向調(diào)控上述通路基因的轉(zhuǎn)錄水平，構(gòu)建“鎘解毒-營養(yǎng)調(diào)控-氧化還原平衡”協(xié)同的分子防御體系，為褪黑素增強(qiáng)植物鎘耐受性的生理機(jī)制提供了轉(zhuǎn)錄組層面的直接證據(jù)。

綜上，該研究首次系統(tǒng)闡明褪黑素通過“鎘轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控-營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)維持- 氧化還原平衡”三重協(xié)同機(jī)制增強(qiáng)植物對(duì)鎘的耐受性，拓展了植物重金屬脅迫響應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該發(fā)現(xiàn)不僅為培育鎘耐受型豆類作物提供了關(guān)鍵分子靶點(diǎn)與生理調(diào)控路徑，也為通過外源褪黑素施用等農(nóng)藝阻控技術(shù)，在重金屬污染土壤中實(shí)現(xiàn)作物安全生產(chǎn)、保障食品安全奠定了基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)污染農(nóng)田修復(fù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要實(shí)踐意義。

本研究的發(fā)表，是佛山大學(xué)團(tuán)隊(duì)在植物逆境脅迫領(lǐng)域研究的又一重要進(jìn)展。事實(shí)上，圍繞植物逆境生理這一核心方向，團(tuán)隊(duì)已形成系統(tǒng)性研究體系，并在國際權(quán)威期刊平臺(tái)持續(xù)輸出高水平成果，彰顯了研究的學(xué)術(shù)價(jià)值與國際影響力。

佛山大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院黃麗萍副教授為論文第一作者，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所Mohsin Tanveer教授為通訊作者、西澳大學(xué)Sergey Shabala教授為共同通訊作者。佛山大學(xué)碩士生陳廣鑫、本科生劉玥為共同第一作者，本科生黃戀珺和亢新雅也參與研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金青年基金、廣東省膜生物學(xué)與環(huán)境國際科技合作基地和佛山大學(xué)高層次人才項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.110735