酸性铜污染土壤中铝增强玉米根系铜稳态的电化学与分子机制

《Journal of Hazardous Materials》：Electrochemical and molecular mechanisms underlying aluminum-enhanced copper homeostasis in maize roots within acidic copper-contaminated soils

本研究揭示了酸性铜(Cu)污染土壤中铝(Al)通过调控根系表面-细胞壁-细胞膜连续体的电荷特性（如zeta电位）和代谢重编程（涉及D-半乳糖、苹果酸和海藻糖等关键代谢物），抑制玉米对Cu的吸收转运。该发现为作物适应酸性污染土壤提供了电化学调控策略和靶点代谢物。

　　

Highlight

Al-Cu共胁迫降低玉米对铜的吸收

长期水培胁迫实验（实验Ⅱ）结果表明，在Al-Cu共胁迫下，玉米根系和地上部的铜吸收均显著降低。与单一铜胁迫相比，200和400 μM铝共胁迫显著抑制了玉米根系和地上部的铜吸收（P < 0.05）（图2a）。这种抑制效应还表现出pH依赖性，铝共胁迫对降低铜吸收的效果按以下顺序递减：pH 4.0 > pH 4.5 > pH 5.0。这是由于铝水解作用的增强所致。

根系适应性电荷重分布：表面-根细胞壁-根细胞膜微域的功能基团与电负性调控

本研究建立了一种根系表面-细胞壁-细胞膜电荷表征方法，首次引入扩散梯度薄膜技术（DGT）来估算体相介质中可接触的铝/铜浓度，进而利用Gouy-Chapman-Stern（GCS）模型计算细胞膜表面电势。根据水提取或DGT推导的铝和铜体相活度预测的根细胞膜表面电势，均与土壤pH表现出强相关性（R2 > 0.95）。然而，这种相关性...

Conclusions

在酸性铜污染土壤中，铝从固相释放到土壤溶液中，极大地提高了其生物有效性，导致植物遭受铝-铜共胁迫。在铝-铜共胁迫下，根系表面-根细胞壁-根细胞膜连续体的电负性和功能基团丰度降低，继而导致玉米根系对可交换态铜（Cu-Exc）的吸附和铜吸收减少。与此同时，半纤维素合成减少和果胶...