多组学与生理特性分析揭示硒缓解富集栅藻镉毒性的调控机制

推荐：本研究针对镉(Cd)污染环境治理难题，通过多组学联用技术探究硒(Se)缓解Desmodesmus abundans镉毒性的分子机制。研究发现1 mg L?1 Se能显著降低Cd诱导的ROS积累和细胞死亡率，恢复光合参数Fv/Fm和Y(II)，上调谷胱甘肽代谢相关基因表达。水稻实验证实Se与微藻联用可使稻苗株高提升57.35%，稻米Se含量达17.18 μg g?1同时降低Cd含量53.59%，为Cd污染治理与Se生物强化提供新策略。

　　

镉污染已成为威胁生态环境和人类健康的重大挑战。这种非必需重金属通过食物链富集，可导致植物生长受阻、叶片黄化，更会引发人体肾功能障碍和骨疾病。传统物理化学修复技术存在成本高、易产生二次污染等问题，而生物修复技术因其环境友好特性备受关注。其中，栅藻(Scenedesmus)因其出色的重金属富集能力和光合效率，在污水处理领域展现巨大潜力。与此同时，硒作为人体必需微量元素，被发现能通过调节抗氧化系统缓解镉毒性，但具体作用机制尚不明确。

为揭示这一科学问题，中国农业科学院都市农业研究所Wen Lina等研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表论文，采用多组学联用技术系统解析了硒缓解Desmodesmus abundans（原Scenedesmus abundans）镉毒性的调控网络。研究首先通过表型观察和生理指标测定确定最佳处理浓度，随后运用转录组测序和靶向代谢组学分析差异基因和代谢物，最后通过水稻栽培实验验证实际应用效果。

3.1 硒浓度优化与生长表型

通过测定半抑制浓度确定3 mg L^?1 Cd为实验浓度，发现1 mg L^?1 Se处理4天使藻细胞干重提升63.05%，OD₆₈₀值增加45.55%，显著缓解Cd对藻类生长的抑制。

3.2 光合系统修复

Cd处理使最大光化学效率F_v/F_m降低23%，而Se添加使叶绿素a含量恢复32.42%。荧光成像显示Se处理组Y(II)值显著高于单独Cd处理，表明硒能有效保护光系统II（PSII）功能。

3.3 氧化应激调控

Calcein-AM/PI双染显示Se使Cd诱导的细胞死亡率降低41%，DCFH-DA检测发现ROS水平下降62%。生化测定显示Cd+Se处理组总抗氧化能力(T-AOC)和超氧化物歧化酶(T-SOD)活性分别提升16.79%和34.30%，而脯氨酸(PRO)含量降低10.11%。

3.5 转录组调控网络

测序鉴定出4379个差异基因(DEGs)，谷胱甘肽S-转移酶(GST)基因Cluster-91.20352表达下调，而金属硫蛋白(MTs)基因Cluster-91.509表达上调5.4倍。KEGG富集显示光合作用和谷胱甘肽代谢通路显著激活。

3.6 代谢组学特征

检测到169种差异代谢物(DAMs)，其中谷胱甘肽(GSH)含量降低27%，而黄酮类化合物山奈酚-3-龙胆二糖苷含量变化显著。L-脯氨酸在Cd+Se组比Cd组降低15%，与生理测定结果相互印证。

3.7 水稻栽培验证

1 mg L^?1 Se与微藻联用使水稻株高提升57.35%，稻米Se含量达17.18 μg g^?1（干重）的同时Cd含量降低53.59%，证实该策略兼具Cd钝化与Se生物强化双重功效。

该研究首次系统揭示了硒通过调控谷胱甘肽代谢、激活抗氧化系统、修复光合器官等多途径协同缓解微藻镉毒性的分子机制。提出的"硒-微藻"联合修复技术为重金属污染治理提供了新思路，其"降镉富硒"的双重功效在功能农业领域具有重要应用价值。特别是研究中发现硒能显著提升微藻的生物吸附活性，这一发现为开发高效生物修复剂提供了理论依据。未来研究可进一步优化硒藻配比，并探索其在田间复杂环境中的实际应用效果。