油菜素内酯通过H2O2-PnBZR1介导的果胶修饰降低三七镉积累的机制研究

《Industrial Crops and Products》：Brassinolide mitigates cadmium accumulation in Panax notoginseng via H?O?- PnBZR1-mediated pectin modification

为解决药用植物三七(Panax notoginseng)因镉(Cd)积累超标制约产业高质量发展的难题，研究人员开展了油菜素内酯(BR)调控三七镉积累的分子机制研究。研究发现，BR通过激活NADPH氧化酶基因(PnRBOHs)表达促进H2O2积累，H2O2通过增强转录因子PnBZR1的转录激活活性，协同BR上调果胶甲酯酶(PME)表达，促进果胶去甲酯化，增加细胞壁-COO-和-OH基团对Cd2+的螯合能力，最终将Cd固定在细胞壁中，降低三七根系Cd含量并提高产量和皂苷含量。该研究为中药材重金属污染防控提供了新策略。

　　

在传统中医药宝库中，三七(Panax notoginseng)以其对心脑血管疾病的独特疗效而备受推崇，其产业总产值已超过150亿元。然而，这片繁荣背后隐藏着一个严峻挑战：土壤中的镉(Cd)污染导致三七根部镉含量严重超标，不仅影响药材质量安全，更直接威胁消费者健康。镉作为一种毒性极强的重金属，会抑制植物生长，降低药用成分含量，如何有效阻断镉进入三七体内，成为产业高质量发展的关键瓶颈。

以往研究表明，植物激素油菜素内酯(BR)不仅能提高作物产量，还能增强植物对重金属胁迫的耐受性。但BR是否能够调控三七对镉的吸收积累，其背后的分子机制究竟如何，至今仍是一个未解之谜。为此，研究人员在《Industrial Crops and Products》上发表了题为"Brassinolide mitigates cadmium accumulation in Panax notoginseng via H₂O₂-PnBZR1-mediated pectin modification"的研究论文，系统揭示了BR通过H₂O₂-PnBZR1信号通路调控果胶代谢，从而降低三七镉积累的创新机制。

研究人员采用多平台联合作战策略，通过田间试验、盆栽实验和水培实验相结合的方式，全面评估了BR对三七镉积累的影响。在技术方法上，研究团队运用了亚细胞组分分离技术分析镉分布，通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测基因表达，利用酵母双杂交系统验证转录因子活性，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析细胞壁官能团变化，并通过转基因烟草模型进行功能验证。

3.1. BR改善三七产量和品质

田间试验结果显示，BR处理30天后，三七根部镉含量显著降低20.48%，而干物质量和总皂苷含量分别提高达11.43%。盆栽实验进一步证实，与单独镉处理相比，BR处理使三七根部镉含量降低31.18%。这些结果明确表明，BR不仅能有效抑制三七对镉的吸收，还能同时提高药材产量和品质。

3.2. 镉胁迫促进三七内源BR合成

面对镉胁迫，三七表现出积极的自我防御反应。研究人员发现，镉胁迫显著上调了BR合成关键基因(DET2、ROT3、CYP90A1等)的表达，导致根部BR含量增加17.08%，叶片增加35.71%。这一发现提示，镉胁迫能够激活三七体内的BR生物合成通路，这可能是植物应对重金属胁迫的一种内在保护机制。

3.3. BR促进镉在细胞壁中的积累

亚细胞分布分析揭示了BR作用的关键位点——细胞壁。与单独镉处理相比，BR处理使根状茎、主根和支根细胞壁中的镉分配比例分别提高1.51、1.94和1.37倍，而细胞质上清液和细胞器中的镉含量显著降低。这表明BR通过将镉"封锁"在细胞壁中，阻止其进入细胞内部，从而减轻镉毒害。

3.4. BR调控镉胁迫下三七根系果胶代谢

细胞壁如何成为镉的"牢笼"？研究人员发现BR通过双重策略强化细胞壁的镉固定能力：一方面促进果胶生物合成，增加果胶糖醛酸含量；另一方面通过提高果胶甲酯酶(PME)活性，促进果胶去甲酯化，暴露出更多的羧基(-COOH)结合位点。基因表达分析显示，BR显著上调了果胶合成相关基因(PnGAUT3/7/11/14)和PnPME1的表达。

3.5. BR促进镉胁迫下三七体内H₂O₂积累

H₂O₂作为重要的信号分子，在BR调控通路中扮演关键角色。研究发现，BR通过上调NADPH氧化酶基因(PnRBOHA/B/C)的表达，使H₂O₂含量增加14.85%。当使用BR合成抑制剂(brassinazole, BRz)时，H₂O₂积累受到抑制，证实了BR对H₂O₂产生的调控作用。

3.6. H₂O₂与BR协同调控果胶代谢

通过一系列抑制剂实验，研究人员发现H₂O₂与BR在调控果胶代谢中存在协同效应。当同时抑制BR合成和H₂O₂产生时，果胶糖醛酸含量和PME活性显著降低；而外源添加H₂O₂能够逆转这种抑制效应，证明H₂O₂是BR调控果胶代谢的下游信号分子。

3.7. H₂O₂增强PnBZR1的转录激活活性

BR信号通路的核心转录因子PnBZR1被发现是H₂O₂作用的关键靶点。酵母双杂交实验表明，H₂O₂处理使PnBZR1的转录激活活性提高10.78%，而不影响其蛋白稳定性。这一发现揭示了H₂O₂通过氧化修饰增强PnBZR1活性的新机制。

3.8. H₂O₂和BR对PnBZR1烟草生长的影响

为验证PnBZR1的功能，研究人员构建了过表达PnBZR1的转基因烟草。在镉胁迫下，转基因烟草表现出比野生型更强的生长优势，且BR与H₂O₂的联合处理效果最为显著，证实了PnBZR1在介导BR-H₂O₂信号通路中的关键作用。

3.9. H₂O₂和BR协同促进烟草细胞壁镉积累

在转基因烟草中，研究人员观察到与三七相似的现象：BR和H₂O₂处理显著增加细胞壁镉分配比例，同时降低整体镉含量。这表明PnBZR1介导的细胞壁镉固定机制在不同植物中具有保守性。

3.10. H₂O₂和BR协同调控烟草PME基因表达

基因表达分析显示，PnBZR1过表达显著上调多个PME基因(PME2.1、PME3、PME40-0等)的表达，且BR与H₂O₂联合处理具有协同增强效应，从分子水平证实了PnBZR1-PME通路的存在。

3.11. 细胞壁FTIR光谱分析

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析为细胞壁镉固定机制提供了直接证据。研究发现，BR和H₂O₂处理显著增强细胞壁中-OH(3421 cm^-1)和COO^-(1384 cm^-1)基团的信号强度，这些官能团正是镉结合的主要位点。

研究结论与讨论部分指出，BR通过H₂O₂-PnBZR1信号级联反应调控果胶代谢的创新机制，为理解植物重金属耐受性提供了新视角。该研究首次揭示了三七中BR信号通路与H₂O₂信号的交叉对话，阐明了PnBZR1转录因子在整合这两条信号通路中的核心作用。更重要的是，该研究不仅具有重要理论价值，还为解决中药材重金属污染问题提供了切实可行的技术途径——通过外源施用BR或调控相关基因表达，有望在不影响药材品质的前提下，有效降低三七镉含量，保障临床用药安全。这一机制模型也可为其他药用植物重金属污染防控提供参考，对推动中药材产业可持续发展具有重要意义。