镁通过 MdMYB78–MdHCT/MdXTH2 转录模块调节细胞壁重塑，从而促进苹果耐铝性

《Journal of Hazardous Materials》：Magnesium promotes aluminum tolerance in apple by regulating cell wall remodeling through the MdMYB78–MdHCT/MdXTH2 transcriptional module

　　约60%的根中铝留存在细胞壁中，主要与半纤维素结合。镁的补充通过减少细胞壁中的铝积累来缓解铝毒性。MdMYB78调控的细胞壁重塑有助于增强镁促进的耐铝性。**引言**中国是世界上最大的苹果种植和生产国，占全球苹果产量的一半左右[33]。然而，中国许多苹果园面临严重的土壤酸化问题[50, 52]。当土壤pH降至≤5.0时，相对无毒的含铝矿物（如氢氧化铝和水铝硅酸盐）溶解并释放植物毒性的Al3?[49]。铝毒性通过抑制根系生长、损害水分和养分吸收、干扰碳氮代谢以及促进活性氧（ROS）积累，降低树势、产量和果实品质[1, 64]。此外，研究表明，包括苹果、樱桃和草莓在内的多种作物果实中的铝浓度与相应土壤中有效铝水平之间存在显著相关性[25, 45, 78]。因此，果实中的铝积累对食品安全和人类健康构成潜在风险[22]。因此，阐明铝耐受的机制并制定有效的增强策略对于苹果产业的可持续发展至关重要。根系是暴露于Al3?毒性下最早且最脆弱的器官，通常表现为根尖伸长受抑制、根尖肿胀、短侧根形成增加和根毛发育减少[54]。大量研究表明，根细胞壁是铝结合的主要位点，也是铝诱导质外体毒性的主要靶标[19, 54]。然而，铝的主要细胞壁结合位点仍有争议。由于果胶含有大量带负电荷的基团，它被认为是主要的铝结合组分，果胶含量降低或果胶甲酯化程度增加通常与更强的耐铝性相关[15, 57]。相反，其他研究表明，相当比例的细胞壁铝与半纤维素（HC）结合。在拟南芥中，约75%的细胞壁铝与半纤维素1（HC1）结合。铝胁迫在转录水平抑制木葡聚糖内转葡聚糖酶/水解酶（XTH）的表达，并降低木葡聚糖（XG）内转葡聚糖酶/水解酶活性，从而促进HC1积累并限制根细胞伸长[83]。Tao等[59]报道，转录因子ANAC017结合XTH31启动子并正向调控其表达。相应地，ANAC017功能缺失突变体表现出增强的耐铝性，伴随着细胞壁HC和XG含量降低。铝毒性还会诱导木质素合成相关基因并促进根部木质素积累，增加细胞壁刚性和降低延展性[58, 77]。Xu等[76]报道，下调木质素合成相关蛋白F5H可减少茶树根中木质素积累，促进铝胁迫下的根系生长。因此，调控参与细胞壁组装和修饰的基因以降低铝结合能力或增加细胞壁延展性，是增强耐铝性的一种有前景的策略。镁（Mg）是支持植物生长发育的必需大量元素。作为叶绿素的中心组分，镁也是众多酶活性所必需的[61]。镁补充可缓解包括干旱[51]、盐胁迫[37]、低温[31]和重金属毒性[47]在内的多种非生物胁迫。在土壤酸化过程中，包括Mg2?在内的交换性碱基阳离子被H?和Al3?逐步置换，导致土壤中可溶性铝增加而镁有效性降低[48]。这一情况与管理集约的果园尤为相关，因为长期施肥和灌溉会促进土壤酸化[17, 32]。此外，Al3?和Mg2?的类似水合离子半径使得Al3?能够与转运系统和酶促反应中的镁结合位点发生竞争性相互作用，从而破坏镁稳态[3, 69]。因此，生长在酸化果园土壤中的果树可能同时面临铝毒性和缺镁问题。在多种作物中，镁吸收或积累增加与耐铝性增强相关[16, 53]。此外，外源镁施用也可通过多种机制缓解铝毒性。在玉米中，0.3 mM的镁补充通过诱导根部抗氧化酶相关基因，增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性，从而减少铝诱导的ROS积累[23]。在水稻中，微摩尔级别的镁浓度可刺激质膜H?-ATPase活性，促进柠檬酸从根部外排，螯合外部Al3?并减少铝吸收[82]。我们之前的研究表明，镁在铝胁迫下维持碳氮代谢平衡，并促进光合产物向根部转运，从而支持苹果根系生长[39]。然而，镁是否通过调控细胞壁组成和修饰来增强耐铝性仍知之甚少。因此，本研究通过整合生理生化分析与转录组学和代谢组学方法，探究了镁诱导缓解苹果铝毒性背后的细胞壁介导机制。我们发现，镁补充通过调控木质素合成相关基因*MdHCT*和半纤维素修饰相关基因*MdXTH2*来调节细胞壁厚度和铝结合能力，从而促进铝胁迫下的根系伸长。进一步分析显示，转录因子MdMYB78响应镁的有效性，直接结合*MdHCT*和*MdXTH2*的启动子，分别激活和抑制其转录。这些发现为镁缓解铝毒性的生理和分子机制提供了新见解，并推进了我们对植物适应铝胁迫过程中镁介导的细胞壁特性调控的理解。**小节摘要****植物材料和处理条件**本研究使用苹果矮化砧木M26（Malus domestica Borkh.）。选取具有约8片完全展开叶片且高度约为10 cm的幼苗。将幼苗种植在漂浮于塑料容器（内含8 L 1/2浓度Hoagland营养液[18]）上的12孔泡沫板上，培养7天。生长均匀的幼苗随后转移至全浓度Hoagland营养液中进行进一步处理。处理设计基于…**镁通过诱导细胞壁重塑正向调控苹果幼苗的耐铝性**为探究镁对苹果幼苗铝胁迫应答的影响，我们评估了在有无外源镁补充的情况下经过25天铝胁迫后的表型变化。与?Al?Mg处理相比，铝胁迫显著抑制了幼苗生长（图1a）并降低了生物量（图1c），其中根系受影响程度较地上部更严重，干重分别降低了20.18%和11.92%。外源施用3.0 mM Mg显著缓解了铝诱导的…**讨论**根细胞壁是植物暴露于铝毒性时遇到的第一道屏障。由于其负电荷特性，大量可溶性铝被强烈保留在细胞壁中[24]。例如，>77%的吸收铝被固定在小麦根尖的细胞壁中[41]，在玉米中这一比例达到85%[68]。尽管最初认为细胞壁中的金属离子积累是有利的，因为它能限制有毒金属向共质体扩散[26]，…**结论**总之，我们的研究表明，镁补充通过促进根细胞壁重塑并减少铝积累来缓解苹果幼苗的铝毒性。我们的结果表明，MdHCT和MdXTH2是镁介导的植物铝胁迫缓解的关键基因。在铝胁迫下，MdHCT促进木质素积累，导致细胞壁增厚和根系伸长受限，而MdXTH2则有助于降低半纤维素含量和铝积累，…**环境意义**土壤酸化增加了铝（Al）的生物有效性，导致严重的铝毒性，限制植物生长和生产力。因此，我们研究了苹果幼苗对铝毒性的生理、转录组和代谢组学响应以及镁介导的铝解毒机制。我们的发现揭示了镁通过根细胞壁重塑缓解铝毒性的分子机制，并为管理铝毒性提供了新见解…**作者声明**Mengxue Lyu设计了实验并执行了实验，分析并解释了数据，绘制了图表并起草了稿件。Jingquan Liu、Xiuzheng Chen、Haonan Cheng、Honghui Liu、Zhaoxin Zhang和Yingxin Yan执行了实验并参与了数据收集和分析。Chunling Liu和Wei Ni贡献了实验方法和数据验证。Han Jiang贡献了实验设计、方法和监督。Zhanling Zhu、Shunfeng Ge和Yuanmao Jiang…**CRediT作者贡献声明****Yingxin Yan：** 方法论。**Chunling Liu：** 方法论。**Wei Ni：** 方法论。**Han Jiang：** 监督、方法论、形式化分析。**Honghui Liu：** 方法论、数据管理。**Zhaoxin Zhang：** 方法论。**Haonan Cheng：** 方法论、数据管理。**Zhanling Zhu：** 写作—审阅与编辑、监督、概念化。**Shunfeng Ge：** 写作—审阅与编辑、监督、资源。**Mengxue Lyu：** 写作—原稿、形式化分析、数据管理、概念化。**Yuanmao Jiang：** 写作—审阅…**利益冲突声明**作者声明他们不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。**致谢**本研究得到中国山东省重点研发计划（2024CXGC010903）、国家重点研发计划（2023YFD2301000）、山东省自然科学基金专项（ZR2022QC192）、现代苹果产业技术体系（CARS-25）专项经费以及山东农业大学高层次人才团队建设计划（2026）的支持。