《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Transcriptome and metabolome analyses reveal the molecular mechanisms of
Rhododendron pulchrum under cadmium stress
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摘要翻译：镉（cadmium, Cd）是一种环境中常见的有害重金属元素，主要经由工业排放、农业施肥等途径释放，并通过大气沉降、污水灌溉等方式持续进入生态系统。由于其高迁移性、强毒性及沿食物链累积的趋势，镉污染已成为全球性的严峻生态环境问题。镉会抑制植物光合作用
摘要翻译：镉（cadmium, Cd）是一种环境中常见的有害重金属元素，主要经由工业排放、农业施肥等途径释放，并通过大气沉降、污水灌溉等方式持续进入生态系统。由于其高迁移性、强毒性及沿食物链累积的趋势，镉污染已成为全球性的严峻生态环境问题。镉会抑制植物光合作用与叶绿素合成，损伤叶绿体结构，通过干扰根系对必需矿物元素的吸收来破坏离子稳态，并诱发氧化胁迫，进而损害正常细胞代谢，最终导致生物量下降、生长迟滞甚至植株死亡。
为适应镉污染环境，植物演化出多种耐受与解毒机制，包括细胞壁固定、液泡区室化、由植物螯合肽（phytochelatins）与有机酸介导的螯合作用，以及抗氧化系统的激活。在重金属毒害条件下，次生代谢是植物关键的适应性机制之一，其中苯丙烷代谢（phenylpropanoid metabolism）与类黄酮代谢（flavonoid metabolism）途径对活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除、重金属螯合及胁迫信号调控至关重要。在高等植物中，苯丙烷代谢途径及其下游的类黄酮分支途径是响应非生物胁迫的主要次生代谢途径。苯丙烷途径主要贡献于木质素合成，可强化细胞壁以减少镉离子向细胞质转运；其中肉桂酰辅酶A还原酶（cinnamoyl-CoA reductase, CCR）与肉桂醇脱氢酶（cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD）等关键基因主导木质素单体合成，而过氧化物酶（peroxidase, POD）基因则参与木质素聚合及ROS清除。类黄酮途径可生成黄酮醇（flavonols）和黄烷-3-醇（flavan-3-ols）等高抗氧化活性代谢物，有效清除过量ROS并螯合重金属离子；二氢黄酮醇-4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase, DFR）作为该途径关键酶之一，直接将二氢黄酮醇导向黄烷-3-醇及其下游衍生物。尽管这些基因与途径已在模式植物和作物中被广泛报道，但在木本植物响应镉胁迫中的共表达模式与代谢调控网络仍有待系统深入探究。
杜鹃花属（*Rhododendron*）植物为木本观赏花卉，物种丰富、生态价值突出，广泛分布于山地及酸性土壤区域，多数物种对低温、干旱和养分缺乏等非生物胁迫表现出较强适应性。此外，杜鹃花属植物为木本植物，生物量较大且根系发达，为镉污染环境的生态修复提供了良好应用潜力。然而，以往对杜鹃花属植物的研究主要集中于分类、栽培、繁殖与观赏特性，关于其响应镉胁迫的分子与代谢机制尚不清晰，尤其缺乏转录组与代谢组层面的整合分析。因此，该研究选取广泛栽培于中国的常见观赏木本物种锦绣杜鹃（*Rhododendron pulchrum*）作为研究材料，该物种胁迫适应性强、观赏特性优良，可用于园林绿化与生态修复。
本研究中，研究人员选取锦绣杜鹃为实验材料，以解决三个关键科学问题：（i）镉如何影响锦绣杜鹃的生长与生理代谢，以及镉在各组织间如何分布与转运？（ii）哪些途径、基因和代谢物支撑叶片中的镉解毒？（iii）锦绣杜鹃是否具有对镉污染土壤进行植物稳定化（phytostabilization）的潜力？通过将生长与生理测定同叶片转录组学和代谢组学分析相结合，该研究刻画了锦绣杜鹃在镉暴露下的生理适应性特征，鉴定了响应镉的差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）和差异丰度代谢物（differentially abundant metabolites, DAMs），并在途径水平阐明关键基因与代谢物协同塑造镉耐受性的机制。该工作为木本观赏植物适应重金属胁迫提供了新的理论见解，也为培育耐镉树种及镉污染土壤的植物稳定化修复提供了重要遗传资源。
# 锦绣杜鹃响应镉胁迫的分子机制：转录组与代谢组整合解读
## 1 研究背景与科学问题
镉（cadmium, Cd）作为环境中危害最为普遍的重金属之一，主要来源于工业排放、农业施肥等人类活动，并可通过大气沉降、污水灌溉等方式持续进入土壤生态系统。鉴于镉的高迁移性、强毒性及沿食物链富集的特性，镉污染已成为全球性的生态与环境难题。镉一方面抑制植物光合色素合成、破坏叶绿体结构，另一方面干扰矿质元素吸收、诱发氧化胁迫，最终导致植物生物量降低、生长受阻甚至死亡。为应对镉毒害，植物演化出了细胞壁固定、液泡区室化、植物螯合肽（phytochelatins）与有机酸螯合以及抗氧化系统激活等多重耐受与解毒机制。其中，苯丙烷（phenylpropanoid）与类黄酮（flavonoid）次生代谢途径在活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除、重金属螯合和胁迫信号调控中发挥核心作用。然而，以往研究多集中于草本模式植物和作物，木本植物尤其是杜鹃花属（*Rhododendron*）植物在镉胁迫下相关基因的共表达模式及代谢调控网络仍缺乏系统探索。杜鹃花属植物多为木本观赏花卉，适应性强、根系发达且生物量较大，兼具生态修复应用潜力，但其响应镉胁迫的分子机制与代谢基础此前鲜有报道。因此，该研究选取广泛栽培的锦绣杜鹃（*Rhododendron pulchrum*）为材料，通过整合生长生理测定、转录组学与代谢组学分析，系统回答以下关键问题：镉如何影响锦绣杜鹃的生长与生理代谢？镉如何在其组织间分配与转运？叶片中哪些途径、基因和代谢物主导镉解毒？锦绣杜鹃是否具有用于镉污染土壤植物稳定化（phytostabilization）的潜力？
## 2 研究开展与主要结论
研究人员以三年生锦绣杜鹃扦插苗为材料，于辽东学院温室开展为期30天的盆栽试验，设置0（T0）、10（T1）、50（T2）、100（T3）和200 mg·kg
?1（T4）五个名义镉浓度处理，实际测得土壤镉浓度为0.33、6.07、20.27、64.52和126.54 mg·kg
?1。处理结束后，系统测定了生长指标（株高、地径相对生长率及各组织干重）、叶片生理指标（光合色素、抗氧化酶活性、渗透调节物质及丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量）、各组织镉含量，并计算转运因子（translocation factor, TF）和生物富集因子（bioconcentration factor, BCF）。在此基础上，选取对照（CK, T0）、低镉（Cd1, T2）和高镉（Cd2, T3）三组进行叶片转录组测序（RNA-seq）与非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）分析，并通过qRT-PCR验证RNA-seq数据的可靠性。研究得出如下主要结论：生长方面，低镉促进生长而高镉抑制生长，呈现典型毒物兴奋效应（hormesis effect）；镉分配方面，根系滞留了全株50.60%–71.71%的镉，各处理TF均低于0.38；分子机制方面，苯丙烷与类黄酮生物合成途径是叶片镉解毒的核心通路，其中肉桂酰辅酶A还原酶（cinnamoyl-CoA reductase, CCR）、肉桂醇脱氢酶（cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD）、过氧化物酶（peroxidase, POD）和二氢黄酮醇-4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase, DFR）等关键结构基因显著上调，并伴随黄酮醇和黄烷-3-醇等抗氧化代谢物积累。该研究首次从生理、转录组和代谢组三个层面系统揭示了锦绣杜鹃的镉耐受机制，为木本观赏植物重金属胁迫适应研究提供了新见解，并为镉污染土壤的植物稳定化修复提供了候选树种。
## 3 主要关键技术方法
该研究采用了以下主要技术方法：温室盆栽梯度镉处理试验（土壤实测镉浓度0.33–126.54 mg·kg
?1）；采用电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS）测定植物组织及土壤镉含量；利用DNBSEQ-T7平台进行叶片转录组测序，以锦绣杜鹃近缘种*Rhododendron simsii*基因组（GCA_014282245.1）为参考进行比对和定量，DESeq2筛选差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）（q-value < 0.05且|log
2FC| ≥ 1）；qRT-PCR验证转录组数据可靠性；基于超高效液相色谱-串联质谱（ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry, UPLC-MS/MS）平台开展非靶向代谢组学分析，通过主成分分析（principal component analysis, PCA）、正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA）及200次置换检验筛选差异丰度代谢物（differentially abundant metabolites, DAMs）；最后进行转录组与代谢组的通路水平联合分析及Pearson相关性分析。
## 4 研究结果
### 4.1 植物生长与生物量性状
不同镉浓度处理下，锦绣杜鹃呈现分级响应。低镉处理（T1、T2）下，地径相对生长率、根干重及总干重较对照显著增加或无显著差异；高镉处理（T3、T4）下，株高相对生长率分别显著下降22.5%和41.9%，T4地径生长率较对照降低30.0%，并出现明显叶片失绿、褐变症状。该结果说明低镉对生长具有轻微促进效应，高镉则产生显著抑制作用，呈倒U型剂量-响应关系。
### 4.2 生理特性
镉胁迫显著改变锦绣杜鹃的光合色素、抗氧化酶和渗透调节物质。叶绿素a在T4急剧下降，叶绿素b对镉更为敏感并持续降低；类胡萝卜素在T2达到峰值（较对照高114.0%）后急剧下降。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和过氧化氢酶（catalase, CAT）活性先升后降，过氧化物酶（peroxidase, POD）活性持续上升至T4。MDA含量随镉浓度升高而大幅增加，在T3达到151.36 nmol·g
?1。可溶性糖、可溶性蛋白先升后降并于T2达峰，脯氨酸持续累积至T3后小幅回落。上述结果表明，中度镉胁迫可激活抗氧化防御，高镉则造成光合系统损伤和膜脂过氧化加剧。
### 4.3 镉积累与转运
锦绣杜鹃各组织镉含量均随处理浓度升高而增加，组织分布顺序始终为根 > 茎 > 叶，T4时分别为106.93、42.40和31.36 mg·kg
?1。全株镉积累量从T0的26.74 μg增至T4的4067.32 μg；根系镉滞留比例在T1–T2达峰值（约71.71%和71.46%），T4降至50.60%。TF随镉浓度呈V型变化，但各处理均低于0.38；BCF在T2最高（0.485）。该结果表明锦绣杜鹃以根际固持和限制镉向地上部转运为主要耐受策略。
### 4.4 转录组分析
对CK、Cd1（T2, 50 mg·kg
?1）和Cd2（T3, 100 mg·kg
?1）三组叶片进行转录组测序，共获得6.65亿条高质量clean reads。PCA和相关性分析显示组间分离明显、组内重复性好。Cd1 vs CK和Cd2 vs CK分别鉴定出392和714个特异性DEGs，另有477个DEGs为两组共有，其中96%（458个）在两个镉处理中表达趋势一致（388个上调、70个下调）。GO富集分析显示，上调基因主要富集于单加氧酶活性、几丁质代谢过程、血红素结合和铁离子结合等条目；下调基因富集于氧化还原酶活性、铁硫簇结合和细胞壁组织等条目。KEGG富集分析显示，上调DEGs显著富集于MAPK信号通路（ko04016）、次生代谢物生物合成（ko01110）、苯丙烷/类黄酮代谢（ko00940、ko00941）和谷胱甘肽代谢（ko00480）；下调DEGs则富集于甾体生物合成、N-聚糖生物合成等途径。qRT-PCR验证了8个DEGs的表达趋势与RNA-seq数据高度一致（R2 = 0.87–0.92）。
### 4.5 代谢组分析
非靶向代谢组学共注释到2217个代谢物，PCA和OPLS-DA均显示三组间代谢谱显著分离。Cd1 vs CK和Cd2 vs CK分别鉴定出73和165个DAMs，上调代谢物数量多于下调，且共有47个DAMs在两个比较中趋势一致（41个上调、6个下调）。共有DAMs主要富集于硫代葡萄糖苷生物合成、氨酰-tRNA生物合成、色氨酸代谢、吲哚生物碱生物合成以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等途径。分类统计显示，共有DAMs以氨基酸及其衍生物（29.79%）、有机酸（10.64%）、苯及取代衍生物（10.64%）和类黄酮（8.51%）为主。上调倍数前20的共有DAMs中，槲皮素糖苷、五甲氧基黄酮、对香豆酰葡萄糖等抗氧化相关代谢物增幅最为突出。
### 4.6 转录组与代谢组联合分析
联合分析表明，共有DEGs和共有DAMs以正相关为主，KEGG注释集中富集于次生代谢物生物合成等通路。基于DEGs的通路富集结果和积累代谢物的归属，研究聚焦于苯丙烷生物合成（ko00940）和类黄酮生物合成（ko00941）两条代谢相连的途径。在类黄酮途径中，*DFR*、*FLS*、*LAR*和*F3'5'H*显著上调，与黄酮醇糖苷和黄烷-3-醇等代谢物积累相吻合；在苯丙烷途径中，*CCR*和*CAD*转录本显著升高，*POD*表达也明显诱导。22个结构基因与8个代谢物共176对相关性分析中，73对达到显著正相关（Pearson, P < 0.05）。研究认为，苯丙烷和类黄酮途径通过增强木质素合成、ROS清除和重金属螯合能力共同构成锦绣杜鹃叶片镉解毒的核心代谢基础。
## 5 讨论与结论总结
讨论部分指出，低镉促进生长的现象与毒物兴奋效应一致，可能与低浓度ROS作为信号分子激活抗氧化系统以及促进木质素沉积有关；高镉则通过抑制碳代谢、诱发膜脂过氧化等途径抑制生长。叶绿素b较叶绿素a对镉更敏感，说明光合损伤首先发生在光系统II捕光天线复合体。抗氧化酶与渗透调节物质的协同变化说明锦绣杜鹃综合运用酶促和非酶促抗氧化系统应对镉胁迫。基于TF和BCF等指标，该物种并非镉超积累植物，但其镉累积能力优于桑树、构树等常见木本植物，结合其观赏价值和根系固持特性，适合用于低至中度镉污染土壤的植物稳定化修复。研究同时指出，根系木质素含量及相关酶活性未直接测定，相关讨论系基于其他物种推演，有待根系特异性证据验证；温室盆栽条件下部分镉可能随灌溉淋失，实际修复效果需在田间条件下进一步验证。
结论部分可翻译为：本研究首次对锦绣杜鹃在土壤镉浓度梯度（实测0.33–126.54 mg·kg
?1）下进行了生理学、转录组学和代谢组学的整合表征。低镉下植株生长得以维持，地径和总生物量高于对照；高镉则抑制生长、降低色素含量并加剧脂质过氧化，表明该物种的耐受性局限于一定浓度范围。在叶片组织中，镉响应基因与代谢物汇聚于苯丙烷和类黄酮生物合成途径：*CCR*、*CAD*、*POD*和*DFR*上调，伴随黄酮醇和黄烷-3-醇积累，与ROS清除和抗氧化防御的激活相一致。镉主要滞留于根部：各处理组织镉浓度均表现为根 > 茎 > 叶，转运因子始终低于0.38，全株50.60%–71.71%的镉保留在根部，而单株镉总积累量从26.74 μg增至4067.32 μg。综合该浓度范围内的耐受性、以根为主的镉分配特征以及观赏价值，锦绣杜鹃是低至中度镉污染土壤植物稳定化修复的颇具潜力的候选树种。
