小麦耐锰新机制：转录组与生理分析揭示烟酰胺胺增强锰毒耐受性的关键作用

《iScience》：Transcriptomic and physiological analyses revealed nicotianamine enhances wheat tolerance to excess manganese

本研究针对酸性土壤中锰毒害制约小麦生产的突出问题，通过整合转录组学和生理学分析，系统阐明了烟酰胺胺(NA)生物合成途径(TaNAS/TaNAAT)和锰-NA转运蛋白(TaYSL2/TaYSL6)在耐锰基因型中的关键调控作用。研究发现外源NA通过减少锰吸收、恢复离子稳态，显著增强小麦锰耐受性，为培育耐锰小麦新品种提供了重要理论依据和候选基因靶点。

　　

在酸性土壤环境中，锰毒害已成为制约小麦生产的重要逆境因素。锰作为植物必需的微量元素，在光合作用、抗氧化防御等生理过程中发挥着关键作用，但过量锰会引发叶片 chlorosis（褪绿）、坏死斑等症状，严重抑制植物生长。特别是在pH值低于5.5的强酸性土壤中，锰的生物有效性显著提高，导致作物遭受锰毒害胁迫。尽管不同作物种类和基因型对锰毒害的耐受性存在显著差异，但小麦作为世界上种植最广泛的主粮作物，其对锰胁迫的响应机制亟待深入解析。

以往研究表明，植物通过抗氧化酶系统活化、有机酸代谢调控等多种策略应对锰毒害，然而关于烟酰胺胺(nicotianamine, NA)这一关键金属螯合剂在小麦锰耐受性中的具体作用机制尚不明确。正是在这样的研究背景下，广西大学董登峰教授团队在《iScience》上发表了最新研究成果，通过综合运用转录组学和生理学分析手段，系统揭示了NA生物合成和转运在小麦锰解毒过程中的核心功能。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：以锰耐受型(ET8、Carazinho)和敏感型(ES8、Egret)小麦近等基因系为材料，进行500μM锰胁迫处理；通过RNA-seq转录组测序分析差异表达基因；利用RT-qPCR验证关键基因表达；采用ICP-AES测定金属元素含量和亚细胞分布；通过UPLC-MS/MS检测NA含量；运用水培实验评估外源NA的缓解效应。

基因表达谱分析揭示小麦根系对锰胁迫的响应

转录组测序结果显示，锰胁迫下四个小麦基因型根系中共鉴定出2,656-8,554个差异表达基因(DEGs)。其中900个基因为四个基因型所共有，GO富集分析显著富集到烟酰胺胺代谢过程(GO:0030417)和生物合成过程(GO:0030418)。RT-qPCR验证进一步证实，锰胁迫显著上调了TaNAS基因家族(TaNAS1、TaNAS2、TaNAS4、TaNAS5)和TaNAAT基因(TaNAATA、TaNAATB)的表达，且在耐锰基因型ET8中诱导程度最高。

耐锰基因型限制锰向地上部转运

亚细胞分布分析表明，93%以上的锰定位于根尖细胞汁液中，仅少量(<0.634%)存在于细胞壁。锰处理显著提高了根系和地上部锰浓度，且地上部锰浓度远超根系。重要的是，耐锰基因型ET8的地上部锰浓度(7,607.8μg/g)显著低于敏感基因型ES8(10,361.5μg/g)，Carazinho(5,704.9μg/g)也显著低于Egret(7,332.5μg/g)，表明耐锰基因型具有限制锰向地上部转运的能力。

锰胁迫诱导内源NA合成但不促进其分泌

与转录组结果一致，锰胁迫下小麦根系内源NA浓度显著提高，Carazinho、Egret、ET8和ES8分别提高了3.1倍、2.6倍、2.8倍和2.5倍。耐锰基因型(Carazinho和ET8)的NA积累量高于敏感基因型(Egret和ES8)，但根系分泌物中未检测到NA外排，推测NA可能被转化为麦根酸(mugineic acids, MAs)后分泌。

外源NA增强小麦锰耐受性

500μM锰处理导致小麦株高、鲜重和SPAD值显著下降，并出现叶片褪绿、坏死斑等典型锰毒症状。外源NA处理以浓度依赖方式缓解锰毒害，500μM NA使株高恢复14%-33%，鲜重增加1.4-1.9倍，叶绿素含量恢复至对照的89%-99%，症状评分从20.9%-53.2%降至≤10.3%。

外源NA抑制锰积累并恢复离子稳态

外源NA显著降低了根系和地上部锰浓度，500μM NA处理使根系锰降低24.5%-34.7%，地上部锰降低22.7%-41.8%。同时，NA应用剂量依赖性地缓解了锰胁迫引起的必需元素失衡，恢复铁、钙、镁、铜、锌的稳态分布。

该研究通过多组学联合分析，首次系统阐明了NA生物合成和转运在小麦锰解毒中的核心作用机制。研究发现耐锰基因型通过上调TaNAS/TaNAAT表达增强NA合成，进而通过TaYSL2/TaYSL6介导的锰-NA复合物转运，调节锰的区室化分布和离子稳态。外源NA应用通过减少锰吸收、恢复必需元素平衡，有效缓解锰毒害。这些发现不仅深化了对植物锰耐受机制的理解，而且为通过分子育种培育耐锰小麦新品种提供了重要候选基因靶点(TaNAS、TaNAAT、TaYSL2、TaYSL6)。尽管研究存在转基因验证缺乏、Mn-NA复合物直接证据不足等局限，但无疑为应对酸性土壤锰毒害问题开辟了新的研究方向。