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为探究植物对 Sb (Ⅴ) 的吸收机制及耐受性，研究人员以拟南芥（Arabidopsis thaliana）野生型及 Pht1;1、Pht1;3、Pht1;4、ABCB15 基因敲除突变体为材料，发现 Pht1;4 敲除突变体 M-P4 对 Sb (Ⅴ) 耐受性更强、吸收更少，揭示 Pht1;4 在 Sb (Ⅴ) 转运中的关键作用，为 Sb 植物修复策略提供依据。
在环境问题日益凸显的当下，锑（Sb）作为一种具有毒性的类金属元素，其在环境中的迁移转化及对植物的影响备受关注。目前，Sb (V) 在植物体内的吸收途径、转运机制以及植物对其耐受性的分子基础尚不完全明确。这不仅制约了对 Sb 污染生态风险的准确评估，也阻碍了高效植物修复技术的开发。因此，深入探究植物与 Sb (V) 的相互作用机制，成为环境生物学和生态毒理学领域的重要课题。
为解决上述科学问题，研究人员开展了相关研究。虽然文中未明确提及研究机构的具体名称，但以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为模式植物，通过基因编辑技术构建了 Pht1;1、Pht1;3、Pht1;4 和 ABCB15 四个独立 T-DNA 插入突变体，并结合野生型（WT）植株，系统分析了不同基因型植株在 Sb (V) 胁迫下的耐受性、吸收特性及基因表达差异。研究成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》，为阐明植物应对 Sb (V) 胁迫的分子机制提供了新视角。
研究采用了多种关键技术方法。首先是水培实验，将拟南芥种子经消毒、 vernalization（春化处理）后，在含不同浓度 Sb (V) 的 1/5 Hoagland 溶液中培养，用于观察植株生长表型、测量生理指标及元素含量。其次是基因表达分析，通过提取根系总 RNA，利用 Illumina 测序技术和生物信息学方法，筛选差异表达基因（DEGs）并进行 KEGG 通路富集分析，揭示基因调控网络。此外，还运用了丙二醛（MDA）含量测定，评估细胞氧化损伤程度；通过氢化物发生 - 原子荧光光谱法（HG-AFS）测定植物各部位 Sb 含量；采用离心分离技术区分根系的质外体和共质体溶液，分析 Sb 的跨膜运输情况。
3.1 拟南芥突变体对 Sb (V) 的耐受性差异
在正常培养条件下，Pht1;3 和 Pht1;4 敲除突变体（M-P3、M-P4）与野生型植株生长状况相近，而 Pht1;1 和 ABCB15 敲除突变体（M-P1、M-A5）表现出植株矮小、叶片发育异常等表型。当暴露于 10 mg/L Sb (V) 时，野生型植株叶片变小、数量减少，部分叶片发育畸形，根系长度显著缩短（从 21.5 cm 降至 18.87 cm），丙二醛含量显著升高（0.333 μM/mg FW），表明其遭受了严重的氧化胁迫。相比之下，M-P4 根系长度仅缩短 0.467 cm，丙二醛含量最低（0.194 μM/mg FW），显示出更强的 Sb (V) 耐受性。发芽率实验表明，M-P1 和 M-A5 在无 Sb (V) 条件下的发芽率显著低于野生型，而 M-P3 和 M-P4 发芽率与野生型无显著差异，说明 Pht1;4 敲除对植株正常生长无明显影响，但能显著增强对 Sb (V) 的耐受能力。
3.2 Sb (V) 在拟南芥中的吸收与分布
随着外部 Sb (V) 浓度升高（1-50 mg/L），各株系根、茎、叶中的 Sb 含量均呈上升趋势，但突变体与野生型之间存在显著差异。在低浓度（1-25 mg/L）条件下，M-P3 和 M-P4 根系的 Sb 吸收量显著低于野生型，其中 M-P4 根系的 Sb 含量比野生型低 25%-50%。尽管野生型根系是直接接触 Sb (V) 的主要器官，但其茎、叶中的 Sb 浓度往往高于根系，呈现 “茎 > 叶 > 根” 的分布模式，这可能与 Sb 从根系向地上部的转运有关。通过计算转运因子（TF）发现，在低 Sb (V) 浓度（1-10 mg/L）时，突变体的 TF (Root-Stem) 显著高于野生型，表明其 Sb 从根系向茎的转运能力更强；而在高浓度（25 mg/L）时，野生型的 TF (Root-Stem) 反超突变体。M-P4 的 TF (Stem-Leaf) 随 Sb (V) 浓度升高先增加后降低，整体上其叶片的 Sb 积累量低于野生型，说明 Pht1;4 敲除不仅减少了 Sb 的吸收，还影响了其在植株内的转运路径。
3.3 Sb (V) 跨膜转运机制与吸收动力学
通过分离根系的质外体和共质体溶液，发现野生型质外体中的 Sb 浓度高于共质体，表明细胞膜对 Sb (V) 的跨膜运输具有一定的屏障作用。而 M-P1 的共质体 Sb 浓度显著高于野生型，提示其跨膜吸收途径占主导地位；M-P4 的质外体 / 共质体 Sb 比值最低，说明其跨膜运输效率显著降低，进一步证实 Pht1;4 在 Sb (V) 跨膜转运中的关键作用。吸收动力学分析显示，野生型、M-P3 和 M-P4 的根系 Sb 吸收符合线性动力学模型，表明其吸收过程主要受细胞壁吸附主导；而 M-P1 和 M-A5 符合 Michaelis-Menten 动力学模型，提示其吸收依赖于载体介导的跨膜运输。值得注意的是，M-P4 的吸收曲线斜率最小，表明其对 Sb (V) 的亲和力最低，这与其低跨膜转运效率一致。
3.4 基因表达响应与胁迫信号通路
基因表达分析表明，Pht1;1 和 Pht1;4 之间存在功能补偿现象：当 Pht1;1 敲除时，M-P1 中 Pht1;4 的表达显著上调；反之，Pht1;4 敲除时，M-P4 中 Pht1;1 的表达也有所升高。这可能是由于两者在磷转运中具有重叠功能，当其中一个基因缺失时，另一个基因通过上调表达来维持磷的吸收。KEGG 通路分析显示，各株系在 Sb (V) 胁迫下差异表达基因主要富集在苯丙烷生物合成、MAPK 信号通路和谷胱甘肽（GSH）代谢等途径。其中，野生型在 GSH 代谢途径中富集的差异表达基因最多（16 个），而 M-P4 的差异表达基因数量最少，这与其较低的 MDA 含量和较强的耐受性一致，表明 GSH 代谢途径在植物应对 Sb (V) 氧化胁迫中发挥重要作用，而 Pht1;4 敲除可能通过减弱相关基因的表达响应，降低细胞的氧化损伤。
结论与意义
本研究通过基因敲除技术和多组学分析，系统揭示了 Pht1;4 基因在拟南芥对 Sb (V) 吸收和耐受性中的关键作用。研究发现，Pht1;4 不仅是 Sb (V) 跨膜转运的主要载体，其缺失还会通过上调其他基因的表达来补偿磷代谢功能，同时减弱氧化胁迫相关基因的响应，从而增强植株对 Sb (V) 的耐受性。这些结果为阐明植物对 Sb (V) 的吸收机制提供了直接的遗传学证据，也为筛选和培育抗 Sb 污染的作物品种、开发高效的植物修复技术提供了新的靶点和理论依据。未来研究可进一步深入探究 Pht1;4 与其他转运蛋白的互作机制，以及 Sb (V) 在植物细胞内的解毒途径，为全面评估 Sb 的生态风险和制定污染治理策略提供更丰富的科学支撑。
