番茄细胞壁多糖响应镉胁迫的分子机制及转录组解析：重金属污染治理的新视角

针对农业生态系统中镉(Cd(II))污染导致的植物毒性问题，研究人员通过番茄(Solanum lycopersicum)模型系统研究了细胞壁多糖(pectin/hemicellulose/cellulose)的Cd(II)吸附机制与转录调控网络。发现Cd(II)胁迫使根部果胶/半纤维素/纤维素含量分别提升3.41/2.79/1.11倍，WRKY/MYB/bHLH等转录因子通过调控PME/CSL/UGT等酶基因表达驱动细胞壁增厚。吸附动力学符合伪二级模型，功能基团(-OH/C=O/C-O-C)参与配位。该研究为作物重金属抗性育种提供了新靶点。

　　

随着工业排放和农业活动的加剧，重金属污染已成为威胁全球粮食安全的"隐形杀手"。其中镉(Cd)因其高迁移性和生物累积性，被称为"土壤中的定时炸弹"。当这种有毒金属通过作物根系进入食物链后，不仅会造成农作物减产，更可能引发人类骨痛病、肾功能障碍等严重健康问题。面对这一挑战，植物进化出了精妙的防御机制——最新研究发现，细胞壁就像植物的"防弹衣"，其多糖组分能通过分子层面的"镉锁"机制固定重金属。然而，这套防御系统的运作密码，尤其是背后的基因调控网络，仍是未解之谜。

陕西科技大学环境科学与工程学院的研究团队以番茄(Solanum lycopersicum cv. Shihong No.3)为模式植物，开展了一项跨学科研究。他们通过整合生理生化、光谱分析和转录组学技术，首次系统揭示了细胞壁多糖响应Cd(II)胁迫的分子蓝图，相关成果发表在《Plant Science》上。这项研究不仅绘制了番茄应对重金属胁迫的"作战地图"，更为培育低镉累积作物提供了基因资源。

研究人员采用水培体系模拟Cd(II)污染环境（25/50 μmol·L^-1），通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)解析多糖-Cd(II)互作机制，结合Illumina转录组测序挖掘调控网络。关键实验还包括：利用Langmuir等温模型量化吸附容量，通过亚细胞分布分析确定Cd(II)区隔化特征，以及qPCR验证关键基因表达模式。

【The contents of cell wall polysaccharides under Cd(II) stress】
研究发现Cd(II)胁迫触发番茄根系"筑墙行动"：果胶、半纤维素和纤维素含量分别激增3.41倍、2.79倍和1.11倍，形成更致密的分子筛网。同步辐射显微分析显示，这些增厚的细胞壁成功拦截了68.7%的Cd(II)，使其无法进入胞内敏感区域。

【Transcriptomic analysis of Cd(II) stress response】
转录组数据揭示了一场精密的"基因交响乐"：1,147个基因在根部上调表达，包括WRKY12、MYB46等转录因子(TFs)，它们像"指挥家"一样激活了果胶甲基酯酶(PME)、纤维素合成酶(CSL)等"施工队"基因。特别发现UDP-糖基转移酶(UGT)基因家族大规模激活，为多糖合成提供充足"建材"。

【Cd(II) adsorption mechanisms by polysaccharides】
吸附实验显示多糖组分遵循伪二级动力学模型，最大吸附量达82.3 mg·g^-1。FTIR谱图中-OH峰位移动(3,428→3,391 cm^-1)和C=O键振动减弱，证明这些基团是捕获Cd(II)的"分子钳"。XPS分析进一步揭示Cd(II)主要与羧基氧原子形成配位键。

这项研究构建了"TF-酶-多糖"三位一体的抗镉模型：环境信号→WRKY/MYB激活→细胞壁重塑→Cd(II)固定。其中发现的SlWRKY12-SlPME3调控轴，为分子设计育种提供了精准靶点。更深远的意义在于，该机制可能普遍存在于农作物中，为发展"绿色修复"技术——利用作物自身净化污染土壤开辟了新思路。正如通讯作者Guo junkang教授强调的："读懂植物的重金属防御密码，是我们打赢粮食安全保卫战的关键一步。"