综述：SRG16可缓解镉诱导的大豆（Glycine max (L.) Merr.）重金属胁迫

《Journal of Hazardous Materials》：SRG16 alleviates cadmium-induced heavy metal stress in soybean (Glycine max (L.) Merr.)

　　朱子坤|张宇|雷赫迈提·图尔达肯|辛大为|陈青山|邹建安
中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学，大豆工程技术国家研究中心及智能农场技术系统国家重点实验室，邮编150030

摘要
镉是自然界中最为常见的有毒重金属污染物之一。镉暴露会对多种生物造成生理损伤和毒性作用。本研究中，我们观察到暴露于15毫克/升镉浓度下的大豆植株根系生长受到显著抑制，同时根系生物量及植株高度也有所下降。通过转录组分析及功能验证，我们确定大豆应激响应基因16（GmSRG16）是调控镉耐受性的负向因子。敲除GmSRG16可显著提升大豆植株的重金属耐受性，这一表型也与下游基因肉桂醇脱氢酶9相关基因（GmCAD9L）的过表达有关，后者是苯丙烷代谢途径中的关键基因。同样地，GmCAD9L的过表达也能增强镉耐受性，表明其可能是GmSRG16介导的镉响应通路中的下游组分。多组学分析进一步显示，GmSRG16敲除植株的苯丙氨酸/苯丙烷代谢活性增强，从而导致源自苯丙氨酸代谢的木质素前体——松脂醇的积累增加。外源施加2微摩尔浓度的松脂醇可显著减轻镉的毒性，并降低大豆对镉的吸收。此外，体外络合实验及等温滴定量热法研究证明，松脂醇能直接与镉离子结合形成可溶性复合物，进而减少镉引发的氧化损伤并维持抗氧化酶的活性。总体而言，我们的研究确定了GmSRG16-GmCAD9L模块是调控镉耐受性的重要因子，同时揭示了松脂醇介导的镉螯合作用作为减轻大豆镉毒性的潜在机制。

引言
镉是一种普遍存在且具有高毒性的重金属元素，会在农田生态系统中引发严重的环境问题[1]。镉污染主要源于人类活动，如工业废水、金属废弃物及污泥的不当排放，以及过量使用农药[2]。与其他重金属相比，镉在植物体内的迁移能力更强，因此更容易在植物组织和器官中积累，从而产生显著的毒性作用。从机制上来看，镉会引发植物内的阳离子失衡，干扰正常矿质营养的吸收与运输，抑制叶绿素及功能性生物大分子的合成与代谢，扰乱细胞内的正常生理生化过程，进而导致活性氧的积累，引发氧化损伤。这些生理紊乱会引发一系列病理反应，如细胞结构与功能衰退、生物大分子氧化降解，从而阻碍植物的生长发育[3][4]。更为严重的是，镉污染还会对食品安全构成威胁，因为镉在环境中的迁移与积累最终会转移到食品中[5]。即便在污染程度较低的环境中，最初通过根部吸收的镉也会逐渐在植物的可食用部分积累，使得农产品的镉含量超过标准，丧失其价值。人类摄入含镉量高的食物后，镉会逐渐在体内积累，带来健康风险[6]。综上所述，镉污染是连接环境安全与食品安全的风险因素，因此亟需开展关于植物对镉毒性响应的研究。

许多基因对于植物的镉耐受性至关重要，其中包括参与生物及非生物胁迫响应的基因。其中，植物内一些能够调控各类催化过程的酶可以螯合重金属离子，从而减轻重金属胁迫对植物的伤害[7][8]。当镉被植物细胞吸收后，会通过与细胞内的谷胱甘肽结合形成植酸螯合素，随后这种镉-植酸螯合素复合物会被包裹在液泡中，以降低镉对植物的伤害[9]。查尔酮合成酶也是植物非生物胁迫响应中的重要基因[10]。镉会直接或间接影响植物内的氮代谢[11]，植物可以通过调节铵转运蛋白来改变根际微生物的结构，进而降低镉的毒性[12]。镉中毒还会引发氧化应激，影响抗氧化酶的活性，并加剧植物细胞内的脂质过氧化反应[13]。酶促抗氧化系统是一种保护机制，涉及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶等多种酶的协同作用[14][15]。植物在面临非生物或生物胁迫时，其抗氧化酶活性会被激活[16][17]，这体现了植物对不良环境的整体响应。不过，响应的方向和强度会因植物种类、受影响组织以及胁迫类型和强度的不同而有所差异[18]。植物基因型之间在胁迫耐受性上的差异很可能与酶促抗氧化系统有关。这些内源植物物质缓解重金属胁迫的机制为相关研究提供了新的思路。

SRG1属于2-酮戊二酸依赖性双加氧酶超家族。拟南芥中约有100个SRG基因，它们被分为DOXA、DOXB和DOXC三个亚家族[19]。DOXCs参与植物化学物质的特殊代谢，包括植物激素和黄酮类化合物，而陆生植物中的大多数2OGD基因也属于这一家族[20][21]。据报道，拟南芥中的SRG1可通过S-亚硝化作用减弱对下游基因的负向调控，进而调节植物的免疫响应[22]。在水稻中，SRG1编码一种驱动蛋白4，通过调控细胞伸长与增殖来控制籽粒的形状[23]。尽管SRG基因在其他植物物种中也发挥着重要作用，但在大豆中其功能尚未被阐明。这些内源植物物质缓解重金属胁迫的机制为相关研究提供了新的思路。

通过外源化合物提升植物的重金属耐受性，已成为减轻重金属危害的重要策略[24][25]。植物生长调节剂在农业生产中被广泛使用，外源施用植物生长调节剂可通过促进光合作用、降低活性氧和脂质过氧化水平以及增强抗氧化防御系统的活性，来减轻铀和镉带来的胁迫[26]。褪黑素是一种植物激素，它能与铝、镉、锌、铁和铜等重金属形成复合物，从而实现金属解毒并减少活性氧的产生[26][27][28][29]。松脂醇是植物体内的一种内源物质，通常被认为毒性较低，常被用于保护食品的颜色、风味和稳定性，同时提升其营养价值[30]。然而，目前尚无关于松脂醇对非生物胁迫响应的相关研究。

尽管已有大量与镉耐受性相关的基因被报道，但控制大豆镉响应的调控网络仍远未完全明确。在我们之前对暴露于镉胁迫的大豆根系进行的转录组分析中，发现SRG家族的多个成员会被持续诱导表达，其中Glyma.13G264000（命名为GmSRG16）的转录响应最为强烈。在其他物种中，SRG家族成员已被证实与植物生长调控及胁迫适应有关，但其在大豆中的作用，尤其是在重金属胁迫条件下的功能，仍不清楚。这些观察结果促使我们研究GmSRG16是否参与大豆的镉胁迫响应，并阐明其下游调控网络。

基于以上观察，我们提出假设：GmSRG16是调控大豆镉耐受性的因子，而破坏GmSRG16可能会激活与重金属解毒相关的下游代谢途径。为验证这一假设，我们构建了RNAi-SRG16、Gmsrg16基因敲除以及GmCAD9L过表达的大豆毛状根植株，进而研究它们对镉胁迫的响应。通过整合遗传学、转录组学、代谢组学和生物化学分析，我们发现了一条此前未知的、与GmSRG16相关的镉响应通路，该通路涉及GmCAD9L以及苯丙烷代谢产物松脂醇。此外，我们还证明了松脂醇可直接与镉离子结合，从而减轻镉的毒性。本研究首次对大豆中的GmSRG16功能进行了解析，同时也揭示了一种基于代谢物的策略，可用于提升植物对重金属胁迫的耐受性。

部分内容节选
**植物材料与生长条件**
本研究使用东农50号品种来研究GmSRG16和GmCAD9L的功能。亚细胞定位分析则采用本瑟明烟草作为模型。种植条件为16小时光照/8小时黑暗周期，温度为25摄氏度。毛状根转化植株在Murashige和Skoog培养基上培养，培养温度为27±1摄氏度。光照时间为13小时，光源为冷白荧光灯，光照强度为2000勒克斯；其余时间为黑暗状态。

**SRG基因家族的鉴定及密码子使用偏好分析**
研究利用中性基因组片段来分析突变压力和自然选择的影响。

**大豆SRG基因可能参与镉胁迫响应**
在镉胁迫条件下的RNA测序数据中，有四种被标记为SRG1的蛋白质被反复检测到，它们被归类为重复的SRG1蛋白：Glyma.13G263800（表达水平上升1.11倍）、Glyma.13G264000（表达水平上升1.7倍）、Glyma.07G176800（表达水平上升1.51倍）以及Glyma.12G235300（表达水平上升1.01倍）。其中，Glyma.13G264000的表达变化最为显著。有研究表明，SRG1家族基因可能参与大豆的镉胁迫响应。

**讨论**
大豆是一种具有重要商业价值的作物，其富含优质植物蛋白、不饱和脂肪酸、碳水化合物、钙、磷、铁、其他矿物质以及B族维生素。它既是粮食和油料加工的原料，也可用于饲料生产以及功能性食品的开发。我们在本研究中发现了一种名为松脂醇的代谢物，它能够提升大豆对镉的耐受性。该代谢物受GmSRG16-GmCAD9L模块的调控，其中GmSRG16与降低……相关。

**环境意义**
镉是一种广泛存在的有毒重金属污染物，它会危害生物并抑制植物生长。尽管植物对镉的耐受性已得到广泛研究，但大豆中的相关分子机制仍不明确。本研究证实镉会严重限制大豆根系的生长，同时发现了调控苯丙氨酸代谢的GmSRG16–GmCAD9L模块。敲除GmSRG16可提升GmCAD9L的表达及其代谢活性，而松脂醇则可通过螯合镉离子来减轻镉的毒性。这些研究发现……

**CRediT作者贡献声明**
辛大为：资源提供、项目管理。陈青山：资源提供、项目管理、方法学设计。张宇：统计分析。雷赫迈提·图尔达肯：数据整理。邹建安：论文撰写与修订、资源提供、项目管理、资金筹集。朱子坤：论文撰写与修订、初稿撰写。

**CRediT作者贡献声明**
朱子坤、张宇、雷赫迈提·图尔达肯、辛大为、陈青山和邹建安共同构思并设计了这项研究。朱子坤、张宇和雷赫迈提·图尔达肯负责实验操作、野外调查及数据分析。朱子坤负责撰写论文初稿。辛大为、陈青山和邹建安负责对论文进行修改。所有作者均审阅并批准了论文的最终版本。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了农业科技重大专项、黑龙江省重点研发计划（项目编号JD2023GJ01-14）以及内蒙古自治区科技计划（项目编号：2023JBGS0006）的资助。同时，我们也感谢LetPub（www.letpub.com.cn）在语言润色及投稿前专家评审方面提供的帮助。

**利益冲突声明**
作者再次声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。