铬(III)胁迫下番茄与柑橘早期生理及分子响应机制解析

针对铬污染对园艺作物的毒性机制不明问题，浙江农林大学团队以番茄和柑橘为模型，通过表型分析、GFP标记细胞活性监测及转录组测序，揭示了Cr(III)通过诱导氧化应激（H2O2、MDA升高）、抑制光合作用（Pn降低29.7-66.3%）及激活MAPK/激素信号通路影响生长的分子机制，为重金属污染防控提供新见解。

　　

随着工业化和农业活动的加剧，土壤重金属污染已成为全球性环境问题。其中，铬（Cr）作为第17位地壳丰度元素，其污染对农作物安全和人类健康构成严重威胁。尽管六价铬[Cr(VI)]的毒性已被广泛研究，但三价铬[Cr(III)]作为生物体内主要存在形式，其对园艺作物的早期生理和分子影响仍不明确。番茄（Solanum lycopersicum）和柑橘（Citrus medica）分别作为草本和木本经济作物的代表，是研究重金属毒性的理想模型。然而，现有研究多关注Cr(VI)，对Cr(III)的毒性评估缺乏高效方法，且分子机制尚未系统解析。

浙江农林大学园艺科学学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表论文，通过整合生理表型分析、GFP标记的细胞活性实时监测及多组学技术，首次系统揭示了Cr(III)对园艺作物的早期毒性机制。研究采用柑橘和番茄种子萌发实验、水培胁迫体系，结合线粒体靶向GFP转基因根系的激光共聚焦显微镜（LSCM）动态监测技术，评估Cr(III)对细胞活性的即时影响；通过测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）等氧化应激指标，分析生理响应；利用转录组测序解析关键通路，并建立绕过组织培养的农杆菌（Agrobacterium rhizogenes K599）介导高效遗传转化体系。

Effect of Cr(III) on seed germination rates
研究发现Cr(III)对双子叶植物萌发具有双相效应：低浓度（50 mg/L）促进番茄种子萌发（较对照提高32%），但≥500 mg/L时抑制；柑橘萌发率则随浓度升高持续下降（500 mg/L时降至41.9%）。表明物种特异性响应是评估铬毒性的关键参数。

Effects of Cr(III) on plant growth and development
水培实验显示，50 mg/L Cr(III)使柑橘生长降低50%，≥100 mg/L导致根系停滞和叶片萎蔫（死亡率42%）；番茄在500 mg/L时死亡率达83%。GFP荧光强度在100 mg/L处理3天后显著减弱，证实亚致死浓度即可造成细胞器损伤。

Effects of Cr(III) on SOD activity, H₂O₂, and MDA content
生化分析揭示Cr(III)诱导典型氧化应激：柑橘根中H₂O₂和MDA分别增加36.7%和75%，SOD活性降低12%；番茄根中相应指标变化幅度较小，暗示木本植物对铬更敏感。

Effects of Cr(III) on the activity of different bacteria
50 mg/L Cr(III)处理24小时即显著抑制大肠杆菌（DH5α）和发根农杆菌（K599）活性，但对根癌农杆菌（GV3101）毒性延迟显现，提示铬污染会破坏土壤微生物群落平衡。

Establishment of efficient genetic transformation system
团队开发的叶盘真空渗透法（柑橘）和茎基划伤法（番茄）遗传转化体系，可在3-7周内获得GFP标记的毛状根，为重金属毒性实时监测提供新技术平台。

Effects of Cr(III) on gene transcription in roots
转录组分析发现：番茄根中4,751个差异基因（DEGs）富集于MAPK信号通路（182个）和植物激素信号转导（172个）；柑橘根中2,179个DEGs显示类似趋势。MYB、WRKY和bHLH转录因子家族显著调控，其中SlMTP2（金属耐受蛋白）和SlMTP9下调可能参与铬稳态失衡。

该研究首次阐明Cr(III)通过"氧化损伤-光合抑制-激素信号重编程"级联反应影响园艺作物生长的分子框架。创新性建立的GFP标记活体监测技术，突破了传统表型分析的滞后性局限。发现的MAPK和激素通路关键靶点（如MYB46、WRKY33），为培育铬耐受作物提供遗传改良靶标。研究结果对重金属污染区作物安全生产具有重要指导意义，同时为环境毒性快速评估提供了可推广的技术范式。