水稻幼苗根系响应高 CO2与镉胁迫的代谢组学机制研究

为探究高 CO2对水稻抗 Cd 胁迫的调控机制，研究人员设置两种 CO2（400±20、800±20 μmol mol-1）和 CdCl2（0、150 μmol L-1）浓度处理，检测生理参数并分析代谢组。发现高 CO2可增强 CAT 活性、调节代谢物，为植物抗逆研究提供新视角。

　　

在全球气候变化与土壤污染双重压力下，植物正面临着大气 CO₂浓度攀升与重金属镉（Cd）污染的严峻挑战。Cd 作为一种毒性极强的重金属，可通过根系吸收进入植物体内，引发氧化应激、破坏细胞膜结构，并干扰光合作用与氮代谢等重要生理过程。而大气 CO₂浓度预计在 2050 年将升至 685 μmol?mol^-1，其对植物应对重金属胁迫的影响尚不完全明确。水稻作为全球主要粮食作物，其根系在 Cd 污染土壤中易积累有毒金属，不仅威胁自身生长，还通过食物链危及人类健康。因此，揭示高 CO₂环境下水稻根系响应 Cd 胁迫的内在机制，对提升作物抗逆性、保障粮食安全具有重要科学意义。

沈阳师范大学生命科学学院与浙江大学农业与生物技术学院的研究人员合作，针对水稻幼苗根系开展了高 CO₂与 Cd 胁迫的联合处理研究。该研究成果发表在《Plant Growth Regulation》，通过多维度分析，阐明了 CO₂浓度升高对水稻根系抗 Cd 胁迫的调控路径。

研究采用的关键技术方法包括：

1. 生理指标检测：测定根系电导率、丙二醛（MDA）含量，以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等抗氧化酶活性，评估细胞损伤与抗氧化能力。
2. 代谢组学分析：利用气相色谱 - 飞行时间质谱（GC-TOF-MS）技术，对根系代谢物进行定性与定量分析，结合主成分分析（PCA）和 KEGG 通路富集，解析代谢通路变化。

研究结果

1. 高 CO₂与 Cd 胁迫对根系生理的影响

• 膜损伤与抗氧化酶响应：Cd 胁迫导致根系电导率增加 4.5%，MDA 含量显著升高 82.24%，表明细胞膜脂质过氧化加剧。SOD 和 POD 活性显著增强以应对氧化应激。高 CO₂单独处理时，MDA 含量降低 8.80%；与 Cd 联合处理时，CAT 活性较 Cd 胁迫组提升 57.64%，MDA 含量减少 18.99%，显示高 CO₂可通过增强 CAT 活性缓解膜损伤。
• 代谢物谱变化：Cd 胁迫下，根系中糖类（果糖、葡萄糖 - 6 - 磷酸）、氨基酸（甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸）、α- 亚麻酸等代谢物显著积累，参与渗透调节、能量供应与抗氧化过程。高 CO₂进一步上调甘氨酸、丝氨酸等含量，并促进阿魏酸、苯丙氨酸等次生代谢物合成，增强抗氧化与膜稳定性。

2. 代谢通路的关键调控

• 初级代谢通路：Cd 胁迫主要影响糖酵解、三羧酸（TCA）循环、丙氨酸 - 天冬氨酸 - 谷氨酸代谢，通过积累可溶性糖和有机酸维持渗透平衡。高 CO₂协同 Cd 处理时，糖代谢通路中 raffinose、mannose 等进一步升高，而葡萄糖 - 6 - 磷酸等略有下降，可能与能量重新分配有关。
• 次生代谢通路：苯丙烷合成通路被显著激活，阿魏酸、苯丙氨酸等酚类物质在 Cd 胁迫及联合处理中均显著增加，参与清除自由基与细胞壁强化。色氨酸与酪氨酸代谢增强，其下游产物 5 - 甲氧基色胺和酪胺的积累可能提升根系抗逆性。

3. 抗氧化系统与代谢物的协同作用

Cd 胁迫下，SOD 活性升高以清除超氧阴离子，而高 CO₂通过降低 SOD 活性但增强 CAT 活性，协同调控活性氧（ROS）平衡。代谢物中脯氨酸、甜菜碱等渗透调节物质与抗氧化酶形成网络，共同减轻 Cd 诱导的氧化损伤。此外，γ- 氨基丁酸（GABA）通过 GABA 分流途径补充 TCA 循环中的琥珀酸，进一步增强根系能量代谢与抗逆能力。

研究结论与意义

本研究系统揭示了水稻根系在高 CO₂与 Cd 胁迫下的生理与代谢适应机制：高 CO₂通过增强 CAT 活性、调控氨基酸与次生代谢物合成（如苯丙氨酸、阿魏酸），有效缓解 Cd 诱导的膜损伤与氧化应激。研究结果为气候变化背景下作物抗重金属胁迫的分子育种提供了新靶点，例如通过调控 GABA 分流、苯丙烷代谢通路提升水稻抗逆性。此外，研究发现根系与叶片在应对复合胁迫时存在代谢差异，为后续深入解析组织特异性抗逆机制奠定了基础。

该研究不仅拓展了植物应对多重环境胁迫的理论认知，也为农业生产中通过调控 CO₂微环境或遗传改良增强作物抗逆性提供了科学依据，对保障粮食安全与生态可持续性具有重要指导意义。