虾青素生物强化通过增强抗氧化防御、减少铅积累和调控解毒通路提高烟草对铅胁迫的耐受性

为解决铅(Pb)污染对植物生长和食品安全的影响，研究人员通过构建虾青素(ATX)生物强化烟草(T-ATX)，系统研究了内源性ATX在增强植物Pb胁迫耐受性中的作用机制。研究发现，T-ATX植株通过提高抗氧化酶活性(SOD/CAT/APX/POD)、减少Pb吸收和转运、激活解毒通路和信号转导等途径显著提高了Pb耐受性。该研究为利用ATX生物强化作物控制重金属污染提供了新思路。

　　

随着工业和农业的快速发展，重金属污染已成为威胁全球粮食安全和生态系统健康的严重问题。其中，铅(Pb)污染因其持久性和高毒性备受关注。Pb不仅会抑制植物生长，降低作物产量，还能通过食物链进入人体，对神经系统、造血系统等造成不可逆损伤。传统治理方法如土壤修复和植物修复存在成本高、周期长等缺点，因此开发新型生物修复技术迫在眉睫。

山西农业大学分子农业与生物能源研究所的研究人员将目光投向了虾青素(Astaxanthin, ATX)——一种具有超强抗氧化活性的天然类胡萝卜素。虽然外源施用ATX已被证明能增强植物对非生物胁迫的耐受性，但内源性ATX在缓解Pb胁迫中的作用机制尚不清楚。为此，研究人员通过基因工程技术构建了ATX生物强化烟草(T-ATX)，系统研究了其在Pb胁迫下的生理响应和分子机制，相关成果发表在《Journal of Advanced Research》上。

研究采用盆栽实验，对T-ATX和野生型(SNN)烟草幼苗进行不同浓度Pb(NO₃)₂处理，通过生理生化测定、透射电镜观察、转录组学和代谢组学分析等技术手段，全面解析了ATX增强Pb耐受性的机制。

T-ATX烟草植株在Pb胁迫下生长表现显著优于野生型
与SNN相比，T-ATX在Pb胁迫下表现出更高的株高、叶面积和生物量积累，茎粗也显著增加。特别是在400 mg/L Pb处理下，T-ATX的株高比SNN提高了37-38%，最大叶面积增加了36-45%。

T-ATX保持更稳定的光合系统
Pb胁迫导致SNN叶绿素含量显著下降，而T-ATX植株的叶绿素a、b和类胡萝卜素含量分别比SNN提高了54-61%、49-52%和69-76%。叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Y(II)等)也显示T-ATX具有更高的光能转化效率。

T-ATX具有更强的抗氧化防御系统
DAB和NBT染色显示T-ATX叶片中H₂O₂和O₂^-积累量显著低于SNN。抗氧化酶活性测定发现，T-ATX中SOD、CAT、APX和POD活性分别比SNN提高了72-75%、18-23%、63-91%和40-51%。同时，渗透调节物质脯氨酸(PRO)和谷胱甘肽(GSH)含量也显著增加。

细胞超微结构损伤更轻微
透射电镜观察发现，Pb胁迫导致SNN叶肉细胞严重变形，叶绿体肿胀，类囊体结构紊乱；而T-ATX细胞的亚细胞结构保持相对完整，仅出现轻微的空泡化。

Pb吸收和转运显著减少
T-ATX各器官中Pb含量均显著低于SNN，其中根部Pb含量降低了36-44%，茎部降低42-43%，叶片降低45-55%。亚细胞分布分析显示，T-ATX中约60%的Pb被固定在细胞壁中，减少了向细胞器的转运。

关键通路和基因的调控
转录组分析发现，T-ATX中与抗氧化防御、解毒途径、类胡萝卜素代谢、Pb离子转运和植物激素信号转导相关的多个基因显著上调。WGCNA分析鉴定出15个枢纽基因，其中金属转运蛋白基因YSL-2/3/7的表达显著增加。代谢组分析显示，T-ATX中半胱氨酸和蛋氨酸代谢通路以及类胡萝卜素代谢通路被显著激活，烟酰胺和5'-甲硫基腺苷等代谢物含量增加。

这项研究首次系统阐明了内源性ATX通过多重机制增强植物Pb耐受性：增强抗氧化防御系统，维持细胞结构完整性，减少Pb吸收和转运，上调解毒和相关信号通路。研究不仅为理解植物Pb耐受机制提供了新视角，也为利用ATX生物强化作物进行重金属污染治理提供了理论依据和技术支持。未来，这种环境友好型策略有望在Pb污染农田修复和安全生产中发挥重要作用。