GmEIN3.1-GmERF3-GmABCI17模块通过乙烯信号通路协同调控大豆根系发育和镉耐受性

《Journal of Hazardous Materials》：The GmEIN3.1-GmERF3-GmABCI17 module coordinately regulates soybean root development and cadmium tolerance through the ethylene signaling

　　

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  镉诱导的乙烯上调了GmEIN3.1的表达，该基因抑制大豆根的生长，但减少了大豆中的镉积累。
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  GmEIN3.1抑制GmERF3的转录，后者是大豆根发育的正调控基因。
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  GmERF3抑制GmABCI17的表达，后者是一个高尔基体定位的镉外排基因，通过减少镉积累来增强镉耐受性。
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  乙烯信号通过GmEIN3.1–GmERF3–GmABCI17调控模块协调调控镉诱导的大豆根生长抑制和镉耐受性。

引言

镉（Cd）是农业土壤中最为严重的重金属污染物之一，这是由于工业废物的加速排放和化学肥料的过度使用所致[1]。农业土壤中的镉不仅降低作物产量，还可能进入食物链，对健康构成风险[2]、[3]。作为一种非必需元素，镉容易被植物根系吸收并转运至地上组织。即使在相对较低的浓度下，它也能抑制植物的生长和发育[4]、[5]。然而，植物在进化过程中已经发展出精密的策略来应对镉胁迫。一些超积累植物即使在高浓度镉环境中生长，也不会表现出明显的生长受损[6]。即使在同一物种内，不同的基因型也会导致镉耐受性的差异[7]。对于高等植物而言，重金属固定化、排除、螯合和液泡区室化是促进镉耐受性最关键的策略[8]、[9]。值得注意的是，大量功能基因参与这些过程，使植物能够发展出镉耐受性。

据报道，多种植物转运蛋白参与镉的吸收、转运、解毒和耐受，包括锌/铁调控转运蛋白（ZIP）、重金属转运ATPase（HMA）、金属耐受蛋白（MTP）、黄条蛋白（YSL）、重金属相关异戊二烯植物蛋白（HIPP）、天然抗性相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）和ATP结合盒转运蛋白（ABC）[10]。特别是，ABC转运蛋白在进化上高度保守，在镉积累和解毒中起着关键作用。在拟南芥中，AtABCC1/AtABCC2介导镉在液泡中的隔离，AtABCB25（线粒体ABCB）在镉处理的根部中表达上调，并参与铁-硫簇生物合成[11]、[12]、[13]，而AtABCC3将植物螯合素-镉复合物装载到液泡中，其过表达增强了幼苗的镉耐受性[14]。同样，在拟南芥中异源表达酵母ABC蛋白基因YCF1可以增加镉耐受性[15]，这表明镉解毒能力可能受转运蛋白丰度限制。

植物激素如乙烯、脱落酸、生长素、细胞分裂素和类固醇等，在植物生长调控和胁迫耐受中也发挥着关键作用[16]、[17]、[18]。越来越多的证据表明植物激素也参与镉响应[17]、[19]、[20]。先前的研究表明，乙烯不仅参与众多细胞和发育过程的调控，在镉响应中也起着至关重要的作用[21]、[22]。据报道，镉胁迫通过诱导许多植物物种中1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）合酶基因的表达来促进乙烯生物合成，导致乙烯大量产生[23]、[24]。这种激增既可以增强胁迫耐受性，也可以加速衰老，通常伴随着生长抑制[25]。外源乙烯也被证明可以诱导镉耐受性，但它也介导镉诱导的根生长抑制[26]。此外，乙烯信号抑制剂硫代硫酸银可以缓解乙烯诱导的生长抑制[16]、[22]。

乙烯信号转导途径在拟南芥中已被充分表征[27]、[28]。在镉胁迫下，乙烯信号途径中的主控转录因子EIN3（ETHYLENE-INSENSITIVE 3）直接激活木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶33（XTH33）和低硫上调基因1（LSU1），它们分别调控细胞壁重塑和硫代谢[28]。乙烯响应因子（ERFs）作为EIN3的下游靶标，微调重金属响应基因的表达[29]、[30]。具体而言，在拟南芥中，镉激活的AtERF34和AtERF35对于镉诱导的转运蛋白基因NRT1.8的表达是必不可少的[31]。相反，在烟草中过表达ERF基因通过上调抗氧化和螯合途径来增强镉耐受性[32]、[33]。总之，ERF转录模块为解析植物中镉胁迫响应转录网络提供了一个关键切入点。

大豆（ Glycine max）是一种因其富含油脂、蛋白质、矿物质和维生素而备受重视的主要作物。然而，它对镉极为敏感，即使在土壤镉浓度较低时也容易积累该金属。大量关于镉耐受性和积累性的基因型变异已有详细记载[34]、[35]、[36]，然而，镉吸收、转运和隔离的分子机制在很大程度上仍未被表征。在我们之前的工作中，我们筛选了一批大豆品种进行镉耐受性测试，并在两个对比品系中鉴定出关键的镉响应基因[7]，其中GmEIN3.1和GmERF3在镉耐受型和镉敏感型品种间表现为差异表达的乙烯信号组分。在此，我们证明了乙烯信号通过GmEIN3.1-GmERF3-GmABCI17途径在大豆中调控镉诱导的根生长抑制和镉耐受性中发挥积极作用。一致的是，GmABCI17过表达增强了大豆根系的镉耐受性。这些结果阐明了乙烯信号在镉暴露下调控根生长和胁迫耐受的分子机制，从而为大豆根发育过程中生长与防御之间的协同作用提供了见解。此外，我们的工作加强了培育低镉积累、高镉耐受大豆品种的新型分子框架，这对于保障食品安全和促进农业可持续发展至关重要。

节段摘要

材料与方法

大豆品种（DN50、B5和Y1）在75%乙醇中表面消毒（30?秒），用无菌水冲洗三次，用0.1% HgCl₂处理（7?分钟），然后额外清洗五次。将种子吸干水分，脐面朝上放置在1/2 MS培养基上培养4–5天（28°C；16?小时光照/8?小时黑暗）。将均匀萌发的幼苗转移至含有30?μM Cd²⁺、100?μM ACC、30?μM Cd²⁺ + 100?μM ACC，或30?μM Cd²⁺ + 25?μM AVG的MS固体琼脂培养基（pH 5.8）中。在指定处理期后，取根部

鉴定GmEIN3.1作为通过乙烯信号介导大豆根系镉耐受性的关键基因

大量研究表明，镉（Cd）胁迫可诱导大豆中乙烯生物合成[23]、[24]。然而，乙烯信号途径及其相关基因在调控大豆根生长和介导镉胁迫响应中的具体作用仍 largely 未阐明。为了鉴定镉诱导的乙烯信号相关基因，我们对两个在镉处理下根生长表型存在差异的大豆品种进行了RNA测序（RNA-seq）分析

讨论

镉是一种非必需重金属，其积累超过微量水平会抑制生长并破坏生理过程，从而引发植物毒性。在进化过程中，植物已发展出精密的解毒策略，限制镉的进入和/或增强其隔离或外排。尽管这些机制在拟南芥和稻中已被充分表征，但大豆中的调控网络在很大程度上仍未被揭示。在此，一种分层的乙烯依赖性信号

结论

我们提出了一个可能的工作模型，其中镉胁迫触发乙烯生物合成和信号转导，从而激活GmEIN3.1介导的GmERF3转录抑制。这种抑制损害了GmERF3的生长促进作用，最终促成了乙烯诱导的根生长抑制。这种转录重编程可能解除对高尔基体定位的ABC转运蛋白基因GmABCI17的抑制。该基因表达量的升高可能促进镉从细胞质的外排，大概通过

环境意义

镉是一种在全球范围内普遍存在的有毒重金属，对生态系统健康和食品安全构成严重威胁。在此，本研究阐明了一个乙烯响应调控模块，即GmEIN3.1-GmERF3-GmABCI17，其中GmABCI17是一个定位于高尔基体的ABC转运蛋白，受乙烯信号转录激活，主动外排镉并减轻其细胞质积累。生理、生化和分子证据的整合提供了机制性

CRediT作者贡献声明

Wei Yaqing：方法学，调查。Zhao Hengxi：方法学，形式分析。Li Xinxia：方法学，数据整理。Jia Yubo：验证，方法学。Wang Xinchen：软件，数据整理。Wang Min：形式分析，数据整理。Qi Songjie：方法学，数据整理。Zhang Zhuorui：软件，数据整理。Dong Zhimin：资源，概念化。Wang Zhenghao：撰写–原稿，方法学，数据整理。Chen Qiumin：撰写–审阅与编辑，资金获取，数据

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到辽宁省教育厅基本科研项目（LJ232610157001）的资助。

Chen Liu|Zhenghao Wang|Zhuorui Zhang|Songjie Qi|Min Wang|Xinchen Wang|Yubo Jia|Xinxia Li|Hengxi Zhao|Yaqing Wei|Huiru Sun|Hanqiu Zhang|Qiumin Chen|Zhimin Dong