半胱氨酸调控玉米镉胁迫响应的生理生化与转录组机制解析

本研究针对半胱氨酸(Cys)缓解玉米镉(Cd)毒性的分子机制尚不明确的问题，通过生理生化与转录组学分析发现：250 μM Cys处理通过减少地上部Cd积累(19.5%)、提升叶绿素含量(39.4%)和降低MDA水平(35.9%)显著缓解75 μM Cd胁迫。研究鉴定到543个差异表达基因(DEGs)，揭示Cys通过调控膜转运蛋白(ABC/PIP1-2/HMA/ZIP)、光合作用(psa/psb/Lhcb)、抗氧化酶系统(CAT/GST/PER)和转录因子(NAC/GRAS/C2H2)等相关基因表达增强Cd耐受性，为作物重金属污染防治提供新见解。

　　

半胱氨酸(Cysteine, Cys)展现出缓解重金属胁迫的潜力，但其在镉(Cadmium, Cd)胁迫中的分子调控机制尚未明确。本研究通过生理生化和转录组联合分析，揭示了250 μM Cys对75 μM Cd胁迫下玉米幼苗的保护机制。结果表明，Cys处理使地上部Cd积累量降低19.5%，叶绿素含量提升39.4%，丙二醛(MDA)水平下降35.9%，显著缓解了Cd对幼苗生长的抑制。转录组分析鉴定到Cd vs对照组2422个差异表达基因(DEGs)(953上调/1469下调)，Cys+Cd vs对照组2577个DEGs(1540上调/1037下调)，而Cys+Cd vs Cd组则发现543个DEGs(520上调/23下调)。韦恩图分析显示三组比较中存在115个共同DEGs。GO和KEGG富集分析表明，Cys通过调控光合作用、膜运输、抗氧化酶系统和次生代谢物生物合成等多条通路增强Cd耐受性。具体而言，膜转运蛋白基因(ABC/PIP1-2/HMA/ZIP)、光合相关基因(Lhcb/psa/psb/petM/PSBO)、抗氧化酶基因(过氧化氢酶CAT/谷胱甘肽硫转移酶GST/过氧化物酶PER)、次生代谢基因(苯丙氨酸解氨酶PAL/4-香豆酸连接酶4CLL)及转录因子(C2C2-CO-like/C2C2-GATA/C2H2/GRAS/NAC)在Cys+Cd组中均显著上调。这些发现说明Cys通过激活多代谢通路基因表达，有效逆转Cd胁迫引起的代谢抑制，从生理生化与分子层面揭示了Cys诱导玉米Cd抗性的双重机制。