锰和锌抑制小麦镉积累及增强解毒的生理机制

《Environmental Pollutants and Bioavailability》：Physiological mechanisms underlying the inhibition of cadmium accumulation and enhancing detoxification in wheat by manganese and zinc

　　

锰（Mn）和锌（Zn）的施用可以减少谷物中镉（Cd）的积累，但其潜在的生理机制尚不清楚。本研究采用水培实验，研究了Mn和Zn对Cd胁迫下小麦Cd吸收、转运、亚细胞分布和化学形态的影响。Mn和Zn使叶片和根鲜重增加了25.9%–56.1%，并使Cd浓度降低了30.5%–59.8%。它们降低了共质体（symplast）、质外体（apoplast）和木质部汁液（xylem sap）中的Cd水平，从而限制了Cd在植物体内的转运。亚细胞分析表明，Mn和Zn增强了Cd在细胞壁中的滞留，同时减少了其在细胞器和可溶性组分中的分布。此外，Mn和Zn减少了高毒的乙醇提取态Cd，增加了低毒的NaCl提取态和乙酸提取态Cd组分。这些发现表明，Mn和Zn通过限制Cd的移动性和促进小麦中Cd的解毒来减轻Cd毒性。

**研究背景与意义**
镉（Cd）是毒性最强的重金属之一，全球约19%的土壤受Cd污染，中国土壤Cd超标率达7%。小麦作为主要粮食作物，具有强Cd积累能力，通过食物链危害人体健康。现有研究表明，锰（Mn）和锌（Zn）可降低植物对Cd的吸收，但分子水平机制（如转运蛋白基因表达调控）已有部分揭示，而生理层面的机制（如Cd吸收途径、亚细胞分布及化学形态变化）尚不明确。研究人员假设Mn和Zn可通过调节小麦Cd吸收途径、改变亚细胞分布及化学形态来缓解Cd毒性。本研究旨在阐明Mn和Zn降低小麦Cd积累的生理机制。论文发表在《Environmental Pollutants and Bioavailability》。

**关键技术方法**
研究人员采用水培实验，以小麦品种‘郑麦1354’为材料，设置不同浓度Cd、Mn、Zn处理（见表1和表2）。使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定Cd浓度；通过差速离心法分离细胞壁、细胞器及可溶性组分；采用顺序提取法分析Cd化学形态（乙醇提取态、水提取态、NaCl提取态、乙酸提取态、HCl提取态、残渣态）；利用CaCl₂提取法区分共质体（symplast）和质外体（apoplast）Cd；使用能量代谢抑制剂羰基氰化物间氯苯腙（CCCP）阻断能量依赖的共质体转运，以区分主动与被动吸收途径。

**研究结果**
**3.1 Mn和Zn对小麦生长和Cd浓度的影响**
与无Cd对照（CK）相比，5μM Cd处理（Cd5）使叶片和根鲜重分别降低25.4%和27.5%，总根长、根直径和根体积分别降低23.6%、31.7%和22.6%。施用Mn或Zn显著逆转了这些抑制效应，Mn使叶片和根鲜重增加25.9%–46.9%和34.8%–43.9%，Zn增加35.4%–38.8%和36.4%–56.1%。Mn和Zn分别使叶片和根Cd浓度降低34.1%–50.4%和41.9%–59.8%（Mn），以及30.5%–40.9%和37.9%–54.6%（Zn），且Cd转运因子（TF）显著降低3.5%–26.4%（Mn）和11.0%–16.7%（Zn），表明Mn和Zn抑制了Cd的吸收和向上转运。

**3.2 Mn和Zn对Cd在共质体和质外体分布的影响**
Cd5处理下，叶片和根中共质体Cd浓度显著高于质外体。Mn和Zn施用使叶片和根中共质体Cd浓度降低61.3%–76.0%和57.1%–72.6%，质外体Cd浓度降低22.5%–50.0%和9.5%–48.5%，表明Mn和Zn同时抑制了Cd的共质体和质外体吸收途径，且对共质体途径抑制更显著。

**3.3 Mn和Zn对Cd亚细胞分布的影响**
Cd5处理下，叶片和根中可溶性组分Cd浓度最高（12.9 μg/g和64.4 μg/g），其次为细胞壁和细胞器。Mn和Zn施用使叶片可溶性组分Cd浓度降低52.2%–72.9%，细胞器Cd浓度降低64.6%–70.0%；根中细胞壁Cd浓度增加21.4%–46.6%，可溶性组分Cd浓度降低39.7%–52.3%。同时，Mn和Zn使叶片和根中细胞壁Cd比例分别增加32.6%–51.6%和14.0%–50.0%，可溶性组分和细胞器Cd比例降低，表明Mn和Zn促进了Cd在细胞壁的固定。

**3.4 Mn和Zn对Cd化学形态的影响**
Cd5处理下，乙醇提取态Cd浓度最高（叶片3.1 mg/L，根9.1 mg/L），其次为NaCl提取态（1.8和3.6 mg/L）。Mn和Zn施用使叶片和根中Cd总浓度降低，且乙醇提取态Cd比例分别降低30.6%–40.3%和28.9%–57.0%，而NaCl提取态和乙酸提取态（HAC）Cd比例在叶片中增加17.7%–121.0%，在根中增加6.2%–828.9%。这表明Mn和Zn将高毒的乙醇提取态Cd转化为低毒的NaCl提取态和乙酸提取态Cd。

**3.5 CCCP对不同Mn和Zn条件下小麦Cd浓度的影响**
在Cd5处理中添加CCCP使叶片、根和木质部汁液Cd浓度分别降低47.3%、56.4%和46.9%。在无CCCP条件下，Mn和Zn施用使木质部汁液Cd浓度降低25.0%–40.6%。CCCP与高剂量Mn或Zn联合施用进一步降低Cd水平（p<0.05），表明Mn和Zn不仅通过能量依赖的共质体途径，还通过非能量依赖的质外体途径抑制Cd吸收和转运。

**讨论总结**
Mn和Zn通过抑制Cd共质体（主要途径）和质外体吸收，减少Cd向木质部装载，降低Cd在植物体内的转运效率。在亚细胞水平，Mn和Zn增加细胞壁Cd固定，减少细胞器和可溶性组分中的Cd分布，从而减轻Cd对代谢的干扰。在化学形态方面，Mn和Zn降低乙醇提取态Cd（高毒性），增加NaCl提取态（与蛋白质或果胶结合）和乙酸提取态（与磷酸盐结合）Cd（低毒性），这可能是由于Mn/Zn与Cd竞争结合位点。

**研究结论**
本研究中，暴露于5 μM Cd显著抑制小麦生长并损害根系发育，共质体途径对Cd吸收的贡献大于质外体途径。Mn和Zn的施用不仅增强了Cd胁迫下小麦的生物量，还降低了组织中Cd浓度。此外，Mn和Zn处理通过共质体和质外体途径降低Cd转运效率，并减少Cd向木质部的装载，共同导致植物中Cd积累降低。在亚细胞水平，Mn和Zn施用增加了细胞壁结合Cd的比例，同时降低了细胞器和可溶性组分中的Cd比例。在Cd化学形态方面，Mn和Zn处理减少了乙醇提取态Cd，同时增加了NaCl提取态和乙酸提取态Cd形式。这些综合变化可能促进了小麦中Cd的解毒。这些结果阐明了Mn和Zn施用减轻小麦Cd积累和毒性的关键生理机制。