紫堇属植物Cardamine violifolia中锂的动态分布与转录组适应性解析：揭示植物锂积累模式的新机制

随着电子设备及动力电池的广泛使用，锂(Li)已成为新兴环境污染物，但其植物毒性机制尚不明确。本研究通过暴露Cardamine violifolia于200 mg L?1 LiCl，结合生理生化与转录组分析，系统揭示了Li在叶片边缘富集、主要分布于细胞壁和可溶性组分的独特模式，鉴定出HAK5、Nramp、ABCC等关键转运基因家族。该研究为植物响应新兴污染物的空间调控机制提供了新见解，并为Li污染植物修复技术奠定了理论基础。

　　

随着电子产品和电动汽车的迅猛发展，锂(Li)作为关键电池材料的需求激增，但其伴随的环境污染问题日益凸显。研究表明，传统水处理工艺难以去除锂离子，美国已将其纳入《第五版未管制污染物监测规则》。更令人担忧的是，锂在土壤-植物系统中的高迁移性可能导致食物链富集，人体摄入5 g LiCl即可致死。尽管已发现部分植物如向日葵、棉花能积累高浓度锂，但植物对锂的耐受与转运机制仍是未解之谜。

针对这一科学难题，中国恩施硒润材料工程技术有限公司联合研究团队以超积累植物Cardamine violifolia为研究对象，通过200 mg L^?1 LiCl的水培实验，结合多组学技术揭示了锂的时空分布规律与分子调控网络。该成果发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》，为开发锂污染修复技术提供了全新视角。

研究采用LA-ICP-TOF-MS（激光剥蚀电感耦合等离子体飞行时间质谱）进行元素成像，通过亚细胞分级和ICP-MS测定锂分布，并运用转录组测序与WGCNA（加权基因共表达网络分析）筛选关键调控基因。生理指标检测涵盖POD（过氧化物酶）、SOD（超氧化物歧化酶）等抗氧化酶活性及MDA（丙二醛）、GSH（谷胱甘肽）含量。

3.1 生物量与叶绿素含量
LiCl处理初期（3 d）促进C. violifolia生长，但6 d后出现叶片卷曲黄化。尽管叶绿素合成受抑制，植株鲜重仍显著增加，显示其独特的Li耐受性。

3.2 锂含量与亚细胞分布
12 d时地上部Li积累达164.67 mg kg^?1 FW，转运系数(TF)较3 d提高5.22倍。亚细胞分析显示，叶片中51.09%的Li富集于细胞壁，29.8%存在于可溶性组分（主要为液泡），而根部Li稳定分布于细胞壁（61.1%-65.0%）。

3.3 其他元素浓度
LiCl引发离子竞争效应：12 d时地上部Zn、Na、Mn浓度显著上升，而Ca、Fe含量下降。元素成像显示Li与Mn在叶缘共定位，K、Mg集中于叶脉，暗示Li⁺可能通过K⁺/Ca²⁺结合位点实现细胞壁固定。

3.5 生理指标变化
长期Li暴露导致MDA积累，但POD、CAT（过氧化氢酶）等酶活性显著增强。GSH含量持续升高，与GSTU（谷胱甘肽S-转移酶U）基因上调共同构成解毒防线。

3.6 转录组分析
WGCNA鉴定出21个核心基因，包括钾转运体KT9、金属转运蛋白Nramp5等。KEGG富集显示地上部差异基因富集于植物激素信号通路，而根部基因主要参与吞噬体途径。关键发现包括：

• K⁺转运系统（HAK5/KAT1）可能介导Li⁺跨膜吸收
• NRT1（硝酸盐转运体）利用质子梯度驱动Li⁺木质部装载
• ABCC3-GSTU轴通过Li-GSH螯合物实现液泡区隔化

这项研究首次系统阐明了C. violifolia通过"细胞壁固定-液泡隔离-长距离转运"三位一体的锂解毒机制。其创新性体现在：

1. 发现叶缘特异性富集模式，为植物器官靶向修复提供新思路；
2. 揭示Li⁺可能劫持K⁺/Ca²⁺转运系统实现高效吸收；
3. 鉴定ABCC3、NCL（钠钙交换体）等11个关键转运基因家族。

该成果不仅拓展了植物应对新兴污染物的理论认知，更为设计"植物采矿"策略修复锂污染土壤提供了分子靶点。未来研究可聚焦于关键转运蛋白的基因编辑，以优化植物修复效率。