《Environmental and Experimental Botany》：Jasmonic acid restricts cadmium uptake by activating phenylpropanoid-mediated apoplastic barrier formation in rice roots
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镉（Cd）污染稻田土壤对水稻生产和籽粒安全构成持续挑战。水稻根系易从生长介质中获取镉，随后镉可被转运至地上部并最终进入可食用籽粒。由于镉并非植物代谢所必需且具有高度毒性，过量镉暴露会损害生长、养分平衡、光合作用和细胞氧化还原稳态。对水稻而言，镉在根表的进入是决
镉（Cd）污染稻田土壤对水稻生产和籽粒安全构成持续挑战。水稻根系易从生长介质中获取镉，随后镉可被转运至地上部并最终进入可食用籽粒。由于镉并非植物代谢所必需且具有高度毒性，过量镉暴露会损害生长、养分平衡、光合作用和细胞氧化还原稳态。对水稻而言，镉在根表的进入是决定整株镉负荷的初始步骤，因此阐明该进入步骤的调控机制对于制定降低水稻镉积累的策略至关重要。
镉可通过膜介导的共质体途径和细胞外质外体途径到达根中柱。共质体吸收主要由通常转运必需二价金属的转运蛋白介导，如OsNRAMP5、OsNRAMP1、OsIRT1/2及相关系统。与此转运蛋白依赖途径并行，镉还可通过质外体从外部溶液穿过皮层向中柱移动，进而到达地上部组织。在高镉供应或长期暴露条件下，这种非细胞途径的贡献更为显著，此时通过根质外体的径向移动可大幅增加总镉积累量。
根质外体屏障，尤其是凯氏带（CSs）和木栓质片层（SL），可限制通过内皮层的无控径向流动，从而限制水、养分和有毒离子向中柱的移动。质外体镉转运的差异有助于解释不同水稻品系间镉积累的差异，且增强的凯氏带或木栓质片层沉积与较低的根镉吸收相关。这些观察表明，质外体屏障形成是镉进入水稻根部的结构控制点。这些屏障的发育密切依赖于苯丙烷代谢，该代谢为凯氏带木质化提供单体木质素前体，并为参与木栓质相关聚合物沉积的酚类组分提供来源。在镉胁迫下，增强的苯丙烷活性和木质素沉积可强化细胞壁并限制镉在水稻根中的移动性。苯丙氨酸解氨酶（PAL）催化苯丙烷代谢的入口步骤，而过氧化物酶（POD）在木质素形成过程中介导单体木质素的聚合。然而，上游激素信号如何在镉胁迫下调控苯丙烷介导的质外体屏障形成，目前仍了解不足。
已有多种外源策略被用于缓解镉胁迫和降低作物镉积累。其中，茉莉酸（JA）尤为相关，因为它是内源胁迫信号激素，调控植物防御反应以及次生代谢和细胞壁重塑过程。前期研究表明，外源茉莉酸可通过增强抗氧化防御、促进镉螯合和调控金属转运蛋白表达来缓解镉毒性。然而，茉莉酸是否也通过调控根结构屏障来限制镉吸收仍不清楚。茉莉酸已被证实与苯丙烷代谢、木质素沉积和木栓质形成相关，提示其可能调控根质外体屏障的发育。由于木质素和木栓质分别是凯氏带和木栓质片层的关键结构组分，研究人员假设茉莉酸通过激活苯丙烷代谢并强化内皮层质外体屏障来限制镉吸收。因此，本研究旨在确定茉莉酸是否通过该结构途径减少镉吸收，并阐明其潜在的苯丙烷相关过程。
论文解读
一、研究背景与科学问题
镉（Cd）污染稻田土壤对水稻生产和粮食安全构成持续性威胁。水稻根系极易从生长介质中获取镉，镉随后可被转运至地上部并最终进入可食用籽粒，对植物代谢产生毒性效应，损害生长、养分平衡、光合作用和细胞氧化还原稳态。镉进入水稻根部是决定整株镉负荷的初始步骤，因此阐明该进入步骤的调控机制对制定降低水稻镉积累的策略至关重要。
镉到达根中柱可通过膜介导的共质体途径和细胞外质外体途径。共质体吸收主要由转运必需二价金属的转运蛋白介导，如OsNRAMP5、OsNRAMP1、OsIRT1/2等。与此同时，镉还可通过质外体从外部溶液穿过皮层向中柱移动，在高镉供应或长期暴露条件下该途径贡献尤为显著。根质外体屏障，尤其是凯氏带（Casparian strips，CSs）和木栓质片层（suberin lamellae，SL），可限制通过内皮层的无控径向流动，从而限制水、养分和有毒离子向中柱的移动。已有研究表明，质外体镉转运差异可解释不同水稻品系间镉积累差异，增强的凯氏带或木栓质片层沉积与较低的根镉吸收相关。这些屏障的发育密切依赖于苯丙烷代谢，该代谢为凯氏带木质化提供单体木质素前体，并为木栓质相关聚合物沉积提供酚类组分。苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）催化苯丙烷代谢的入口步骤，而过氧化物酶（peroxidase，POD）在木质素形成中介导单体木质素聚合。然而，上游激素信号如何在镉胁迫下调控苯丙烷介导的质外体屏障形成，此前仍缺乏充分认识。
茉莉酸（jasmonic acid，JA）是内源胁迫信号激素，调控植物防御反应及次生代谢和细胞壁重塑过程。前期研究表明外源茉莉酸可通过增强抗氧化防御、促进镉螯合和调控金属转运蛋白表达来缓解镉毒性，但茉莉酸是否通过调控根结构屏障限制镉吸收尚不清楚。鉴于茉莉酸已被证实与苯丙烷代谢、木质素沉积和木栓质形成相关，研究人员提出假设：茉莉酸通过激活苯丙烷代谢并强化内皮层质外体屏障来限制镉吸收。本研究旨在验证该假设并阐明其潜在的苯丙烷相关过程。
二、主要技术方法
本研究以水稻（Oryza sativa L. cv. ZH11）为材料开展水培实验。研究设置了三个处理组：无镉对照（CK）、20 μmol L?1镉处理（Cd）、20 μmol L?1镉加5 μM茉莉酸甲酯处理（Cd+MeJA），处理7天，每组4个生物学重复。为进一步验证苯丙烷代谢在茉莉酸介导的质外体屏障形成和镉限制中的作用，额外开展了药理学抑制实验，分别使用10 μM 2-氨基茚满-2-膦酸（AIP，PAL抑制剂）和10 μM水杨羟肟酸（SHAM，POD抑制剂）处理。主要关键技术方法包括：电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定镉浓度；非损伤微测系统（NMT）测定根系净镉离子流；Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序（数据已提交至NCBI GEO，登录号GSE344343；SRA登录号SRR40258426–SRR40258434）；碱性品红和Fluorol Yellow 088染色结合激光共聚焦显微镜观察凯氏带和木栓质片层沉积；酶联免疫吸附测定（ELISA）检测茉莉酸浓度；商业试剂盒测定PAL和POD活性及木质素含量；实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证基因表达。
三、研究结果
3.1 茉莉酸减少水稻根部镉吸收。 镉胁迫下内源茉莉酸浓度较对照升高，外源茉莉酸处理进一步使茉莉酸浓度达到镉处理组的3.28倍。外源茉莉酸缓解了镉胁迫对根长的抑制，但对地上部生长无显著影响。镉胁迫下外源茉莉酸使根镉浓度从425.82降至284.09 mg kg?1，降幅33.28%；整株镉积累从87.33降至62.50 μg plant?1，降幅28.43%。NMT测定显示茉莉酸显著抑制根系净镉离子内流，平均净镉离子流较镉处理组降低34.44%。
3.2 镉吸收相关转运蛋白表达水平。 镉胁迫诱导IRT1和NRAMP1表达，而IRT2和NRAMP5无显著变化。镉胁迫下外源茉莉酸显著降低IRT1相对表达量，但升高IRT2表达量，对NRAMP1和NRAMP5无显著影响。qRT-PCR结果与RNA-Seq结果一致，R2=0.75。
3.3 GO和KEGG富集分析。 主成分分析显示CK、Cd和Cd+JA样本间分离清晰。Cd vs CK比较中鉴定出1,545个差异表达基因（DEGs），Cd+JA vs Cd比较中鉴定出6,785个DEGs。Cd vs CK中DEGs主要富集于质外体相关组分，包括胞外区和细胞壁。Cd+JA vs Cd中DEGs更富集于液泡和质膜等胞内区室。KEGG富集显示Cd vs CK中DEGs主要富集于次生代谢和抗氧化途径，包括角质、木栓质和蜡质生物合成、苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢。Cd+JA vs Cd中DEGs富集于茉莉酸生物合成和信号相关途径，包括α-亚麻酸代谢、亚油酸代谢和植物激素信号转导，同时苯丙烷生物合成和谷胱甘肽代谢也被富集。
3.4 苯丙烷生物合成与质外体屏障发育。 茉莉酸信号相关基因JAR1和多个JAZ基因在Cd+JA vs Cd比较中显著上调，表明外源茉莉酸激活了茉莉酸信号通路。苯丙烷途径中Cd+JA vs Cd比较鉴定出76个DEGs（42个下调，34个上调）。由这些DEGs构建的枢纽基因网络显示17个枢纽基因中有11个编码过氧化物酶，关键入口基因PAL1和PAL3也被包含其中。PAL和POD活性在镉胁迫下显著升高，茉莉酸处理进一步增强了这些活性。木质素浓度在Cd+JA处理中显著高于单独Cd处理。组织化学染色显示，内皮层中凯氏带信号强度在镉胁迫下显著增强，Cd+JA处理中信号更强；木栓质片层在CK中缺失、镉胁迫下不连续诱导、Cd+JA处理中变得更加连续。外皮层中凯氏带和木栓质片层在各处理间无明显变化。
3.5 PAL和POD抑制削弱茉莉酸诱导的质外体屏障强化和镉限制。 与Cd处理相比，Cd+JA显著增强内皮层凯氏带和木栓质片层沉积，而AIP或SHAM处理显著削弱了这些茉莉酸诱导的增强效应。定量分析显示AIP和SHAM均显著降低凯氏带和木栓质片层荧光强度。与质外体屏障变化一致，PAL或POD活性抑制也削弱了茉莉酸的镉限制效应。与Cd+JA处理相比，AIP和SHAM处理显著增加了根和地上部的镉浓度及镉积累量。
四、讨论与结论
讨论部分指出，外源茉莉酸通过激活茉莉酸信号通路（JAR1和JAZ基因上调）来限制水稻根部镉吸收。JAR1催化茉莉酸与异亮氨酸结合形成生物活性形式的茉莉酸-异亮氨酸（JA-Ile），被SCF^COI1受体复合物感知后促进JAZ阻遏蛋白降解，从而激活下游茉莉酸响应转录调控。JAZ基因表达升高反映了典型的负反馈调节机制，防止茉莉酸信号过度激活并维持激素稳态。茉莉酸处理显著降低根镉积累而地上部镉积累不变，虽然OsHMA2和OsHMA3表达变化提示镉向地上部再分配可能增强，但根镉库的显著减少限制了可供后续转运的镉量。转运蛋白调控可能部分贡献于镉吸收减少，但无法完全解释净镉离子流和镉积累的显著降低，提示存在额外机制——特别是质外体屏障的强化。
讨论进一步指出，茉莉酸通过激活PAL和POD相关的苯丙烷代谢促进木质素积累和木栓质相关酚类聚合，从而强化根质外体屏障。PAL催化苯丙烷代谢的入口步骤，将苯丙氨酸转化为肉桂酸；POD催化单体木质素的氧化聚合，是木质素沉积的关键末端步骤。PAL和POD的协同激活可增强从苯丙烷起始到木质素聚合的代谢通量。茉莉酸处理显著增强内皮层凯氏带和木栓质片层沉积，而外皮层无显著变化，表明茉莉酸对内皮层屏障具有优先效应。内皮层直接包围中柱，是控制溶质径向进入维管组织的重要质外体检查点。药理学抑制实验提供了因果证据：阻断PAL或POD活性削弱了茉莉酸诱导的凯氏带和木栓质片层强化，并部分恢复了茉莉酸处理下的镉积累。
研究结论表明，茉莉酸在限制水稻根部镉吸收中发挥重要作用。外源茉莉酸激活了水稻根部的茉莉酸信号通路，伴随通过抑制镉吸收而显著降低根镉积累。同时，茉莉酸增强了苯丙烷代谢，表现为PAL和POD活性升高，进而促进水稻根部木质素积累。这些变化增强了根内皮层凯氏带和木栓质片层沉积，从而强化内皮层质外体屏障并限制镉进入。药理学抑制实验进一步支持PAL和POD依赖的苯丙烷代谢贡献于茉莉酸诱导的根质外体屏障强化和镉限制。这些发现揭示了一条茉莉酸调控的途径，即苯丙烷代谢强化质外体屏障形成以限制镉吸收，为降低水稻镉积累提供了潜在策略。
