基因组-转录组-代谢组多组学整合分析揭示美洲商陆高镉积累的进化与分子机制

本研究针对植物对重金属镉(Cd)耐受与积累的进化机制这一科学问题，通过构建首个商陆科植物美洲商陆(Phytolacca icosandra L.)染色体级别基因组(1042.86 Mb，contig N50 52.37 Mb)，结合比较基因组学、转录组学和代谢组学分析，发现锌离子结合、锰离子结合等功能基因的显著扩张与正向选择驱动了该物种的高Cd积累特性，其中扩张基因PiNAS-l在酵母Δycf1株系中显著增强Cd耐受性。研究揭示了WRKY/ERF/MYB等转录因子网络调控的Cd转运、木质素合成等关键通路，为植物修复技术提供了重要理论依据。

　　

随着工业发展带来的土壤重金属污染日益严重，植物对镉(Cd)等有毒金属的积累机制成为环境科学与植物生物学交叉领域的研究热点。在自然界中，商陆属(Phytolacca)植物表现出对Cd和锰(Mn)的独特富集能力，这种特性在植物修复污染土壤方面具有重要应用价值。然而，由于长期缺乏高质量的基因组数据，这种特殊能力的进化起源和分子基础始终成谜。近期发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的研究通过多学科交叉方法，首次揭开了美洲商陆高Cd积累特性的神秘面纱。

中国科学院相关团队采用三代测序技术结合Hi-C染色体构象捕获技术，完成了美洲商陆染色体级别基因组组装。通过荧光原位杂交(FISH)确认其核型为2n=2x=36，发现45S rDNA位点存在染色体断裂现象。研究整合比较基因组学、转录组学和代谢组学技术，系统分析了Cd胁迫下的基因表达模式和代谢网络变化。

染色体核型与基因组特征
FISH技术精确定位了5对5S rDNA和1对45S rDNA信号，揭示该物种独特的染色体结构变异。组装的基因组大小1042.86 Mb，contig N50达52.37 Mb，BUSCO完整性评估达98.95%，LAI评分15.45，注释获得25,756个蛋白编码基因。

基因组进化分析
比较基因组学发现近期发生的全基因组复制(WGD)事件，鉴定出与金属响应相关的显著扩张基因家族，包括锌离子结合、锰离子结合等功能类别。正向选择基因(PSGs)显著富集于烟酰胺生物合成等与Cd/Mn响应相关的通路。

功能基因验证
Cd胁迫实验显示多个进化相关基因显著上调，其中扩张基因PiNAS-l在酵母Δycf1突变体中表现出显著的Cd耐受增强效应，证实了该基因在金属解毒中的关键作用。

多组学整合机制
转录组与代谢组关联分析发现，Cd胁迫下WRKY、ERF、MYB等转录因子家族协同调控Cd转运蛋白、木质素/黄酮生物合成以及碳水化合物代谢等通路，形成多层次解毒网络。

这项研究首次提供了商陆科植物的染色体级别基因组参考，从进化基因组学角度阐释了植物重金属积累特性的形成机制。发现的PiNAS-l等关键基因为作物重金属耐受性改良提供了分子靶点，建立的转录调控网络模型为开发高效植物修复技术奠定了理论基础。研究不仅填补了植物重金属超积累进化机制的认知空白，也为应对农业土壤污染提供了新的研究思路和技术路径。特别值得注意的是，该基因组中发现的染色体断裂现象为研究植物基因组不稳定性与环境适应性的关系提供了新线索。