假金属植物哈雷拟南芥和沙地拟南芥对镉或锌胁迫的物种特异性适应

《Journal of Hazardous Materials》：Species-specific adaptations to cadmium or zinc stress in the pseudometallophytes Arabidopsis halleri and Arabidopsis arenosa

　　

- 紫花山柳（*Arabidopsis arenosa*）是镉（Cd）和锌（Zn）超富集植物的新型模式物种
- *A. arenosa* 是首个同时超富集 Cd 和 Zn 的四倍体植物
- 在 *A. arenosa* 的金属集植物种群中鉴定到了 *HMA4* 基因的三倍体化
- *A. halleri* 和 *A. arenosa* 的金属集植物种群表现出一定程度的趋同进化
- *A. halleri* 和 *A. arenosa* 在响应 Cd 或 Zn 方面表现出部分不同的机制

## 引言

环境中的微量金属元素（TMEs）污染主要来源于工业和农业活动，自然过程也有一定贡献，并对公众健康构成潜在风险[1]。有毒微量金属元素（如 Cd）的存在以及必需微量金属元素（如 Zn）过量都可能对植物产生不利影响。尽管关于微量金属元素与植物相互作用的已有广泛研究，但 Cd 和 Zn 的摄取、转运和解毒机制仍未完全阐明[2], [3], [4], [5]。

拟南芥 *Arabidopsis halleri* 是一种假金属集植物物种，常见于欧洲各地的微量金属元素污染场地，能够在这些场地中耐受并积累高浓度的 Zn，通常还包括 Cd[6], [7], [8]。该物种表现出组成型的 Zn 和 Cd 耐受性，金属集植物种群的耐受性远高于非金属集植物种群。虽然该物种的 Zn 超富集似乎是组成型的，但 Cd 积累表现出高度的种内变异，从超富集到叶片中的排除或有限积累不等[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。系统地理学研究表明，*A. halleri* 的金属集植物种群源于附近的非金属集植物种群，后者独立进化出了定殖金属化场地的能力[16], [17], [18]。作为 Cd 和 Zn 的著名兼性超富集植物，*A. halleri* 已被广泛用作研究微量金属元素稳态和植物对金属化场地适应的模式物种[3], [6], [13], [15], [19], [20], [21], [22], [23]。由于 *A. halleri* 相较于其不耐受的近缘模式物种 *A. thaliana* 具有组成型较高的基因表达水平，已鉴定出许多与微量金属元素摄取、转运和解毒机制相关的候选基因[3], [20], [21], [24], [25], [26], [27]。此外，对 *A. halleri* 金属集植物和非金属集植物种群的比较研究为这些机制提供了大量有用的见解[13], [14], [28]。

紫花山柳 *Arabidopsis arenosa* 也是一种假金属集植物，是 *A. thaliana* 的近缘种，在欧洲各地的金属化和非金属化场地中均可常见到与 *A. halleri* 共同生长[29], [30], [31]。该物种的倍性水平存在变异，目前对 *A. arenosa* 的大部分研究集中在多倍体现象和植物对基因组加倍的适应上[32], [33], [34]。然而，其与 *A. halleri* 和 *A. thaliana* 的密切关系以及对金属化环境的适应性使其成为研究金属稳态和极端环境适应的比较研究的理想候选物种[30], [31], [35]。迄今为止，已有少数报道指出 *A. arenosa* 的金属集植物种群对微量金属元素表现出极高的耐受性[35], [36], [37], [38]。最近，Gieroń 等人[38]以及 Szopiński 等人[39]报道，根据 Van der Ent 等人[40]的定义，*A. arenosa* 的金属集植物种群表现出 Cd 和 Zn 的超富集现象。

植物中 Zn 和 Cd 的摄取、运输和解毒已进行了长期研究[41], [42], [43], [44], [45]。然而，Zn 和 Cd 积累与耐受的完整机制尚未完全揭示。Cd 与 Zn、Fe 和 Mn 等其他二价离子竞争非特异性转运体[24], [28], [46]。对超富集植物和相关的非超富集植物物种的研究表明，编码跨膜转运体的基因在调控和组成型表达方面的差异是导致不同微量金属元素积累策略的主要原因。在超富集现象中起作用的转运体家族包括 ZIP（锌调节转运体，铁调节转运体蛋白）、NRAMP（天然抗性相关巨噬细胞）、MATE（多重耐药和毒素外排）、YSL（类黄条带）、MTP（金属耐受蛋白）、CAX（阳离子交换体）和 HMA（重金属 ATP 酶）[24], [47], [48], [49]。在 *A. halleri* 中表征的 Cd 耐受的遗传决定因素包括 AhHMA4[20], [50], [51], [52] 和 AhCAX1[47], [53]，而 AhMTP1 与 Zn 耐受有关[54]，AhNAS2 与 Zn 积累有关[55], [56]。特别是，*HMA4* 已被鉴定为驱动 *A. halleri* 中 Zn 和 Cd 超富集与耐受的关键遗传决定因素，这得益于其在 *A. halleri* 基因组中的组成型表达和基因三倍体化。

*A. halleri* 种群间的种间比较还揭示了多种次生代谢物的生物合成，包括类黄酮，可能是解毒和耐受机制的重要组分[13]。类黄酮是植物中一大类次生代谢物（超过 8000 种代谢物），属于苯丙烷类化合物。除苯丙烷类外，十字花科植物（如拟南芥属）中还合成和/或积累许多含氮化合物（如芥子油苷）和萜类化合物[57], [58], [59], [60], [61]。次生代谢物在保护植物免受多种非生物因素（如微量金属元素过量、紫外线和干旱）以及生物因素（病原体、食草动物和其他植物竞争）引起的负面影响方面发挥着重要作用[5], [62], [63]。类黄酮和其他次生代谢物的积累模式取决于植物对原生场地的适应[5], [13], [31], [35], [62], [64]。

理解种间和种群水平的微量金属元素耐受与积累变异对于污染土壤的管理也具有重要意义。植物修复策略不仅依赖于植物在污染场地上的存活能力，还取决于微量金属元素是否被保留在根部或被高效转运至可收获的地上部分[65], [66], [67], [68]。以强根部固持为特征的物种或种群可能通过减少微量金属元素的迁移性来促进植物稳定化，而具有高地上部分积累量的耐受植物则可用于植物提取修复。因此，对金属集植物和非金属集植物种群的比较研究有助于鉴定与污染场地成功定殖相关的性状，并指导选择适合微量金属元素污染环境治理和修复的植物[65], [66], [67], [68]。

本研究旨在比较来自同一地理区域的 *Arabidopsis halleri* 和 *Arabidopsis arenosa* 的金属集植物和非金属集植物种群中 Cd 和 Zn 的耐受性、金属积累量、次生代谢物图谱以及参与金属稳态的关键基因的表达。我们假设：(i) 两个物种的金属集植物种群将表现出比其非金属集植物种群更高的 Cd 和 Zn 耐受性；(ii) 尽管两种都适应了金属化土壤，*A. halleri* 将表现出比 *A. arenosa* 更高的地上部分金属积累量；(iii) 两种在组成型与金属诱导的适应机制的相对贡献方面存在差异，这反映在次生代谢物积累和参与金属摄取、转运和解毒的基因表达的差异上。通过比较在同一金属化场地上共生的两种近缘假金属集植物，我们旨在鉴定金属富集环境中适应的共享机制和物种特异性机制。

## 材料与方法片段

### 植物材料与生长条件

来自波兰 Piekary ?l?skie 同一场地的金属集植物种群分别标记为 *A. halleri* 的 H-M 和 *A.arenosa* 的 A-M。来自波兰 Niepo?omice 的 *A. halleri* 非金属集植物种群标记为 H-NM，而 *A.arenosa* 的非金属集植物种群标记为 A-NM（表 S1）。所有种群均已被 Szopiński 等人[39]和 Meyer 等人[69]此前描述过。Szopiński 等人[39]表明 H-M 和 H-NM 种群均为二倍体，

### Cd 和 Zn 耐受性

为评估 H-M、H-NM、A-M 和 A-NM 种群对 Cd 和 Zn 的耐受水平，在水培条件下进行了梯度试验。H-M 表现出最高的 Cd 耐受性，需要 500 μM Cd 才能产生显著影响，其次是 A-M，在 250 μM Cd 时出现显著影响（图 1a）。相比之下，在非金属集植物种群中，75 μM Cd 即产生显著的负面影响，其中 *A. thaliana* 的 Cd 耐受性最低（图 1a）。Zn 也表现出类似的模式

## 通过不同适应策略实现金属耐受的趋同进化

尽管在 Cd 和 Zn 的摄取、转运和解毒方面已取得显著进展，拟南芥属仍未被充分利用作为研究微量金属元素稳态的模式物种。来自金属化场地的植物为探索其对这些环境的适应提供了独特的材料[14], [22], [38], [92], [94], [101], [102]。对 *A. halleri* 和 *A. arenosa* 金属集植物和非金属集植物种群的比较表明，两个物种都已进化出高水平的耐受

## 结论

在本研究中，我们比较了来自同一高度污染场地的 *A. halleri* 和 *A. arenosa* 种群以及附近非金属集植物种群中微量金属元素的积累量、Cd 和 Zn 耐受性以及关键金属稳态基因的表达。

我们的数据揭示了两个物种之间趋同进化的证据。*A. arenosa* 和 *A. halleri* 的金属集植物种群均表现出增强的金属耐受性和共享的表达模式。特别值得注意的是，我们证明了 *HMA4* 的三倍体化，这是

## 环境意义

金属污染是影响土壤质量、生态系统功能和植物存活的主要环境问题。本研究加深了对 *Arabidopsis halleri* 和 *Arabidopsis arenosa* 金属集植物和非金属集植物种群如何响应镉和锌暴露的理解。通过鉴定种群特异性和物种特异性的耐受与积累差异，本研究为植物对金属污染生境的适应提供了有价值的见解。这些发现

## 未引用参考文献

[103], [104], [105], [106]

## CRediT 作者贡献声明

Nathalie Verbruggen：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。Massimiliano Corso：撰写—审阅与编辑，可视化，方法论，调查研究。Eugeniusz Ma?kowski：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。Cédric Delporte：可视化，方法论，调查研究。Audrey Le Cabec：方法论，调查研究。Micha? Szopiński：撰写—原稿撰写，可视化，调查研究，形式分析，概念化。Krzysztof Sitko：方法论，

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告工作的客观性。

## 致谢

无

Micha? Szopiński | Krzysztof Sitko | Cédric Delporte | Audrey Le Cabec | Massimiliano Corso | Eugeniusz Ma?kowski | Nathalie Verbruggen