StWRKY6互作蛋白StMSD4通过线粒体抗氧化系统增强马铃薯镉耐受性的机制研究

为解决马铃薯在镉(Cd)污染土壤中的生长安全问题，研究人员通过酵母互补实验和瞬时转化系统，揭示了StWRKY6互作蛋白StMSD4通过线粒体抗氧化途径显著增强Cd耐受性，其SOD活性提升3.1倍，为植物重金属抗性育种提供了新靶点。

　　

随着工业发展和土壤污染加剧，镉(Cd)通过食物链在农作物中富集已成为威胁人类健康的重大隐患。马铃薯作为全球第四大粮食作物，其块茎对Cd的高积累特性尤为突出。中国贵州省因特殊地质背景导致农田土壤Cd含量普遍超标，而传统育种手段难以快速培育低Cd积累品种。在这一背景下，解析植物Cd耐受机制成为农业与环境科学交叉领域的研究热点。

贵州大学的研究团队以高Cd富集马铃薯品种"云薯505"为材料，发现WRKY III类转录因子StWRKY6能通过调控抗氧化途径响应Cd胁迫。为揭示其分子机制，研究人员通过酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)技术筛选出三个互作蛋白：锰超氧化物歧化酶(StMSD4)、血红素结合蛋白(StHBP2)和GTP结合核蛋白(StGTPR11)。相关成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

研究采用多组学技术联用策略：通过Cd敏感酵母突变体Δycf1功能互补实验评估蛋白耐受性；构建马铃薯瞬时转化系统分析生理指标；结合生物信息学预测蛋白结构与亚细胞定位；利用激光共聚焦显微镜观察GFP标记蛋白的分布特征。

3.1 基因克隆与表达分析

成功克隆StMSD4(666 bp)、StHBP2(687 bp)和StGTPR11(690 bp)的全长序列。表达谱显示三者在25 μM Cd处理时表达量最高，其中StMSD4在叶片中的响应最为显著。

3.2 酵母功能验证

在70 μM Cd胁迫下，Δycf1-OEStMSD4菌株的OD₆₀₀值最高，而StHBP2和StGTPR11仅表现有限耐受性。核心结构域截断实验表明，全长蛋白对Cd耐受功能不可或缺。

3.6 蛋白结构特征

StMSD4的活性中心由His100-His52-Asp189-His193构成，α-螺旋占比达50.88%，显著高于其他两者。亚细胞定位证实StMSD4特异性定位于线粒体，与预测的抗氧化功能相符。

3.9 抗氧化酶调控

瞬时过表达StMSD4使叶片SOD活性提升至对照的3.1倍，CAT活性增加140.9 U/g，同时MDA含量降低3.8 nmol/g，显著缓解Cd诱导的氧化损伤。

3.11 亚细胞定位机制

StMSD4在线粒体的特异性分布使其能直接清除电子传递链产生的超氧阴离子，而胞质定位的StHBP2和核定位的StGTPR11因空间隔离导致抗氧化效率降低。

这项研究首次阐明StMSD4通过线粒体特异性定位形成"微反应室"防御屏障的分子机制。其高α-螺旋含量(50.88%)和SOUL结构域(41-219 aa)共同维持了在Cd胁迫下的催化稳定性。相比传统认知，研究发现全长蛋白构象对Cd耐受功能的关键作用，为设计抗重金属工程蛋白提供了新思路。该成果不仅为马铃薯安全生产提供理论依据，也为其他作物抗逆育种提供了可借鉴的靶点策略。