外源柠檬酸调控水稻非结构性碳水化合物代谢重编程缓解六价铬胁迫的分子机制

为解决六价铬(Cr(VI))污染对水稻生长的毒性抑制问题，研究人员通过整合生化与转录组学分析，揭示了外源柠檬酸(CA)通过调控OsNIN4和OsTPP3等关键基因，重塑非结构性碳水化合物(NSCs)分配以增强Cr(VI)解毒能力的分子机制。该研究为重金属污染农田的生态修复提供了新策略。

　　

随着工业发展，六价铬(Cr(VI))作为高毒性重金属在农业土壤中累积，严重威胁水稻安全生产。Cr(VI)通过诱导氧化应激、破坏光合作用和干扰养分吸收等途径抑制植物生长。非结构性碳水化合物(NSCs)作为动态代谢缓冲剂，在环境胁迫下平衡生长与防御需求，但其在Cr(VI)胁迫下的调控机制尚不明确。桂林理工大学环境科学与工程学院的研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表研究，首次阐明了外源柠檬酸(CA)通过重编程NSCs代谢网络增强水稻Cr(VI)耐受性的分子机制。

研究采用水培实验结合基因组尺度代谢网络分析，通过测定生物量、亚细胞Cr分布、碳氮含量及NSCs组分，整合转录组测序和共表达网络构建，系统解析了CA介导的生理与分子响应。

相对生长率

CA预处理显著缓解了Cr(VI)对水稻幼苗生长的抑制，在2.0-8.0 mg/L Cr(VI)胁迫下生物量提升最显著(p<0.05)。

亚细胞Cr分布

CA促使Cr(VI)在细胞质中重新分布，并降低根-茎转运效率(TF值从0.87降至0.59)，有效减少毒性Cr向地上部迁移。

硝酸盐同化

CA恢复了Cr(VI)抑制的NO₃^-吸收速率(提升27.9%至23.0%)和同化能力，通过激活TCA循环改善氮代谢。

NSCs重分配

CA处理使蔗糖、果糖和淀粉在根茎间分配模式改变，淀粉根茎比从7.33升至11.99，表明碳源向储存形态倾斜。

转录调控网络

鉴定出269个NSCs相关基因，其中OsNIN4(质体定位)通过抑制蔗糖合成促进氮防御，OsTPP3通过海藻糖-OsSnRK信号网络增强果糖保留，二者构成核心调控节点。

该研究创新性发现CA通过协同调控OsNIN4和OsTPP3，动态平衡NSCs分配与Cr(VI)解毒：一方面抑制蔗糖合成以优先满足氮代谢需求，另一方面增强海藻糖通路介导的碳源储备。这一机制为开发基于有机酸的农艺调控技术提供了理论依据，对重金属污染区作物安全生产具有重要实践意义。研究建立的"金属定位-碳水化合物分配-信号转导"整合分析框架，为解析植物逆境适应策略提供了新范式。