丹参生态型根细胞壁果胶与半纤维素动态重塑调控镉积累差异的机制研究

本研究系统揭示了丹参不同生态型通过果胶去甲基化（PME介导）和半纤维素木糖富集（XTH驱动）的细胞壁多糖差异化重塑机制，实现镉（Cd2+）选择性固定或排斥，为低镉药材育种和土壤修复提供双基因编辑策略（PME/XTH）。

　　

Section snippets

Plant growth conditions

本研究采用河南（HNYC）与四川（SCZJ）两种丹参生态型。通过组织培养技术培育幼苗[31]，筛选生长状态一致的植株移植至蛭石与珍珠岩1:1混合基质中，于光周期16/8小时、温度25/22°C（昼/夜）、相对湿度70%的人工气候室中培养。每三天浇灌1/2强度Hoagland营养液。待幼苗生长30天后，施加20 μmol L^?1 CdCl₂处理10天，以未处理组作为对照。

Cd accumulation in differential S. miltiorrhiza ecotypes

两种生态型在20 μmol L^?1 Cd胁迫下均未出现叶片变色、根长缩短或鲜重显著变化（图1A-C），表明其具备Cd耐性。但HNYC的根鲜重与根长显著高于SCZJ（图1B-C）。Cd胁迫下HNYC根部Cd积累量显著高于SCZJ（图1D），而地上部无显著差异（图1E），说明Cd主要在根部滞留。亚细胞分布显示HNYC细胞壁Cd占比（68.3%）显著高于SCZJ（52.1%）（图1F），暗示细胞壁是Cd固定的关键场所。

Discussion

果胶（pectin）与半纤维素（hemicellulose）是植物细胞壁镉结合能力的主导因素（附表S11）[21,22,[39]-[50]]。本研究发现两种生态型虽均通过羧基配位与多糖重塑机制吸附Cd，但策略迥异：SCZJ通过高PME活性驱动果胶去甲基化，暴露出更多半乳糖醛酸（GalA）位点（提升9.16%），增强Cd²⁺配位固定；而HNYC则在Cd胁迫下显著提升半纤维素组分糖醛酸含量，木糖增幅达20.24%，且木葡聚糖内转糖基酶/水解酶基因（如SmXTH24）显著上调，促进木聚糖合成以强化Cd超积累。这种分化适应为生态型特异性镉积累提供了生理与分子证据。

Conclusion

根细胞壁多糖的差异化重塑是导致两种生态型镉积累差异的关键。SCZJ通过PME介导的果胶去甲基化提升GalA含量，增强镉固定；HNYC则依赖XTH驱动的半纤维素木糖富集促进镉超积累。基于此，提出双基因（XTH与PME）编辑策略，有望同步实现低镉药材育种与土壤修复应用。