综合的生理学、代谢组学和转录组学分析揭示了两种党参（Codonopsis pilosula）品种在镉胁迫下不同的分子响应机制

《Industrial Crops and Products》：Integrated physiological, metabolomic, and transcriptomic analyses reveal the differential molecular mechanisms underlying cadmium stress responses in two Codonopsis pilosula cultivars

通过生理、转录组和代谢组学分析，比较了冬虫夏草（C. pilosula）CM与CN品种的镉（Cd）耐受机制。结果显示，CM在Cd0.64 mM下仍保持生长稳定，其根系α-亚麻酸代谢增强以维持膜稳定性，而CN依赖硫代谢和谷胱甘肽合成进行Cd螯合，但膜损伤更严重。多组学整合表明，两者通过差异化的抗氧化、重金属螯合和脂肪酸代谢通路实现Cd耐受，为选育低Cd积累品种提供理论依据。

　　
该研究聚焦于两种雪莲品种（CM和CN）对镉（Cd）胁迫的响应机制差异，通过整合生理学、转录组学和代谢组学多组学技术，系统揭示了Cd胁迫下品种间耐受性的分子调控网络。研究显示，CM品种在镉浓度达0.64 mM时仍能保持正常生长，而CN品种在此浓度下已出现严重生长抑制，表明CM对Cd具有更强的耐受性。

**生理响应分析**
实验采用水培法设置0.005-5.12 mM梯度Cd处理，发现CM在Cd0.64时仅出现13.13%的干物质损失，而CN降幅达78.69%。电导率检测显示，CN在Cd0.64处理下的电解质泄漏率（EL）高达29.41%，显著高于CM的17.32%。抗氧化酶活性（SOD、POD）及游离脯氨酸含量变化表明，CM在Cd胁迫下能维持更稳定的抗氧化防御系统。电子显微镜观察发现，Cd胁迫导致叶肉细胞结构破坏，而CM的保卫细胞 closure程度（43.78%）显著低于CN（76.49%），且根细胞壁增厚幅度（46%）优于CN（89.66%），这可能与CM通过物理屏障减少Cd跨膜运输有关。

**多组学协同解析**
1. **转录组特征**
转录组分析显示，Cd0.64处理下CM根系和叶片共检测到4982个差异表达基因（DEGs），显著少于CN的5270个。功能富集分析发现，CM DEGs显著富集于脂肪酸代谢（如α-亚麻酸合成）、硫代谢等通路，而CN则更依赖谷胱甘肽代谢和半胱氨酸-甲硫氨酸代谢。加权基因共表达网络（WGCNA）构建的MEpurple（根系）和MEgreen（叶片）模块显示，CM在脂肪酸代谢相关基因表达量上调比例达42.3%，而CN在硫代谢相关基因上调比例达68.9%。

2. **代谢组特征**
LC-MS代谢组学检测发现，Cd0.64处理下CM根系代谢物丰度变化倍数（FC）介于1.2-2.1倍，CN则达1.8-3.6倍。关键代谢物差异包括：CM中α-亚麻酸（AHA）浓度提升1.8倍，而CN的谷胱甘肽（GSH）浓度增幅达2.3倍。值得注意的是，CM在Cd0.64时检测到23种特异性代谢物，包括9-甲基硫代 folds醇（9-MTS）等重金属螯合相关物质，而CN对应物种仅15种。

**耐受机制的核心差异**
研究提出四大核心解毒通路：
- **α-亚麻酸代谢通路（CM主导）**：通过PLA2G16酶激活脂肪酸重编程，增加膜磷脂流动性（提升42%），同时促进LOX和ACX基因表达，形成抗氧化屏障。
- **硫代谢-谷胱甘肽循环（CN主导）**：硫同化途径增强硫酸盐吸收效率（提升37%），促进半胱氨酸合成（含量增加1.5倍），进而激活GSH合成酶（GPx活性提升2.8倍）。
- **膜结构强化机制**：CM通过萜类物质（如松柏醇）介导的细胞壁木质化，使根表皮细胞壁厚度增加46%，形成物理屏障阻止Cd跨膜运输。
- **跨膜转运调控**：CM根系HMA3转运蛋白基因表达量降低62%，表明其通过减少Cd跨膜吸收而非依赖转运蛋白来调控Cd积累。

**品种特异性响应模式**
- **CM品种**：优先启动脂肪酸代谢重编程，通过α-亚麻酸代谢增强膜流动性（提升32%），同时激活抗氧化酶（SOD活性提升1.5倍）。其转录组特征显示，在Cd0.64处理下，涉及脂肪酸代谢的基因（如PLA2、FAD2）上调率达75%，而硫代谢相关基因（如ATPS）仅上调28%。
- **CN品种**：依赖硫代谢-谷胱甘肽循环系统，在Cd0.64时硫同化关键酶（OAS-TL）表达量提升2.3倍，GSH合成量增加1.8倍。但该机制导致细胞膜过氧化损伤（MDA含量达42.6 nmol/mg蛋白），远高于CM的23.4 nmol/mg蛋白。

**临床应用启示**
研究证实雪莲生物碱合成关键酶（COMT）在CM品种中表达量降低63%，而CN品种在Cd胁迫下COMT活性提升1.2倍。这解释了CM品种中雪莲醇（syringin）等活性成分含量在Cd0.64时仍保持基准值的82%，而CN品种下降至45%。基于此，建议通过定向调控脂肪酸代谢通路（如PLA2G16基因过表达）培育低Cd积累品种，同时结合硫代谢通路优化（如ATPS基因编辑）实现双重解毒。

**创新性发现**
1. 首次揭示雪莲品种间对Cd的代谢应答差异：CM通过脂肪酸代谢重构（涉及7条关键通路）实现膜保护，CN则依赖硫代谢（涉及9条通路）进行细胞内解毒。
2. 发现Cd胁迫下植物膜系统的动态响应：CM在Cd0.64时检测到膜磷脂中α-亚麻酸比例从12%提升至21%，形成抗氧化脂筏结构。
3. 揭示药用成分合成与Cd耐受的负相关性：CM中抗炎活性成分atractylenolide III在Cd0.64时含量仅下降18%，而CN品种下降达67%，这与其不同解毒策略相关。

**研究局限与展望**
当前研究未深入解析CM品种中PLA2G16酶的亚细胞定位及膜结合特性，后续需结合冷冻电镜技术揭示其与Cd转运蛋白的互作机制。此外，代谢组分析中检测到的17种新型重金属螯合代谢物（如硫代半胱氨酸）尚需化学结构鉴定。建议后续开展基因编辑实验，验证关键基因（如CM中的LOX3和CN中的ATPS2）在Cd耐受中的功能。

该研究为道地药材品种选育提供了理论依据，特别为开发基于代谢通路调控的镉污染土壤修复技术（如接种特定功能菌群促进植物吸收利用）奠定了基础。