锰抑制水稻第一节间镉积累与向上转运的微区与转录组机制解析

为解决水稻镉(Cd)污染问题，研究人员通过田间与盆栽实验结合微区(LA-ICP-MS/SEM-EDS)和转录组技术，揭示叶面喷施EDTA-Mn(0.135 g L-1)通过下调OsYSL8/OsZIP1等转运蛋白表达，显著降低Cdgrain达66.7%，为水稻安全生产提供新策略。

　　

镉(Cd)作为毒性最强的重金属之一，在中国土壤污染超标率高达7%，而水稻对Cd的超富集能力使其成为人类膳食Cd的主要来源。尽管锰(Mn)与Cd共享转运蛋白的特性已被发现，但Mn抑制Cd积累的关键作用位点与分子机制仍是未解之谜。这项发表于《Plant Stress》的研究，通过多尺度分析揭示了Mn调控水稻第一节间(N1)阻隔Cd转运的"关卡"作用，为Cd污染农田的安全利用提供了理论与实践依据。

研究团队采用田间试验(筛选6种Mn制剂)、浓度梯度验证(0.135-0.525 g L^-1)与盆栽实验相结合的策略，结合激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)实现元素微区分布可视化，并通过转录组测序解析关键基因调控网络。

3.1 Mn形态与浓度优化

田间实验显示EDTA-Mn的Cd抑制效果最佳(66.1%)，其稳定性和低表面张力特性优于MnCl₂。通过剂量效应分析确定0.135 g L^-1为最优浓度，使Cd_grain降低66.7%，且不影响产量。

3.2 元素分布与转运特征

N1被证实为Cd拦截的关键位点，其Cd含量是旗叶(FL)的6.8倍。Mn处理使N1的Cd、Zn、Fe含量分别降低0.19 mg kg^-1、21.6%-63.9%和25.6%，而Mg增加18.6%-21.6%，呈现元素互作特异性。

3.3 微区分布机制

LA-ICP-MS揭示Mn优先富集在中央茎束(EVB/DVB)，使该区域Cd分布密度降幅高于外围鞘束。SEM-EDS证实Cd原子百分比(WT%)下降21.9%，与Zn、Fe形成协同抑制效应。

3.4 转录组调控网络

1162个差异基因中，OsACA3(钙转运ATP酶)上调2.2倍，可能通过钙信号抑制OsYSL8(降25.9倍)、OsZIP1(降25.9倍)等转运蛋白表达。KEGG分析显示"脂肪酸延伸"和"抗坏血酸代谢"通路激活，促进角质层增厚以增强抗逆性。

4.3 分子调控模型

研究创新性提出"OsACA3枢纽"假说：Mn诱导的Ca²⁺信号通过下调OsYSL8/OsABCG39等转运体，阻断Cd从扩大维管束(EVB)向扩散维管束(DVB)的横向转运。这种"双锁机制"既降低Cd向籽粒的运输效率，又通过增强抗氧化系统提升植物耐受性。该发现为发展"Mn阻隔"技术提供了精准靶点，对实现中轻度Cd污染农田的安全生产具有重要应用价值。