在多倍体水稻中，2C蛋白磷酸酶与纳米钼通过调节细胞结构、金属转运及氧化还原平衡，协同调控镉耐受性

《Journal of Hazardous Materials》：Synergistic regulation of cadmium tolerance by a 2 C protein phosphatase and nano molybdenum by modulating cellular structure, metal transport, and redox homeostasis in polyploid rice

　　

摘要

水稻系统中的镉污染对食品安全和人类健康构成严重威胁，因此有必要确定关键的基因调控因子并制定有效的缓解策略。本研究利用CRISPR/Cas9技术构建的新四倍体水稻ny1突变体，探讨了蛋白磷酸酶2C基因NY1在镉耐受性中的作用，同时评估了氧化钼纳米颗粒（MoO?-NPs）缓解镉毒性的潜力。在镉胁迫下，NY1功能的丧失显著增加了植物的敏感度，表现为生长和光合色素的下降、镉积累的增加以及氧化损伤的加剧，这些现象均比野生型更为明显。ny1突变体表现出氧化还原平衡紊乱，其特征是过氧化氢和丙二醛水平升高，而关键抗氧化酶的活性则降低。细胞学分析显示，ny1突变体在镉暴露下根细胞结构及木质部结构均受到严重损害。转录组分析进一步表明，NY1通过调控与金属吸收转运、氧化应激反应、细胞骨架构建以及DNA复制修复相关的基因来调节镉耐受性。在ny1突变体中，与镉隔离和解毒相关的基因表达降低，而与吸收相关的转运蛋白表达上升，从而导致镉积累增加。应用MoO?-NPs可通过减少镉吸收、增强抗氧化能力以及改善植物生理性能，部分缓解两种基因型植株的镉毒性，不过突变体仍比野生型更敏感。研究结果表明，NY1通过调控金属转运和氧化还原平衡，在提升四倍体水稻的镉耐受性方面起着关键作用。此外，研究还表明MoO?-NPs是一种有潜力的辅助策略，可用于减少水稻生态系统中的镉积累。这些发现为利用纳米材料缓解水稻种植中的镉污染提供了重要依据。不过，仍需进一步研究以评估其在实际田间条件下的长期效果、环境安全性及应用可行性。

引言

镉是一种高毒性重金属，对农业生态系统、食品安全以及人类健康构成严重威胁。由于工业排放、废水灌溉以及过量使用农业投入品，镉在稻田土壤中的积累日益严重，这一问题在亚洲的主要水稻产区尤为突出[1]、[2]。水稻是全球超过50%人口的必需食物，由于其种植方式多为淹水状态，这会提高土壤中镉的生物可利用性和移动性，因此水稻特别容易受到镉污染[3]、[4]。因此，减少镉的吸收同时提升植物的耐受性，对于实现可持续的水稻生产以及降低人类通过饮食摄入镉的风险至关重要。

镉毒性会扰乱植物内的多种生理和细胞过程，包括光合作用、营养平衡以及细胞膜完整性[5]、[6]。镉暴露的一个主要后果是导致活性氧大量产生，进而造成细胞损伤和氧化应激。为了应对镉毒性，植物演化出了复杂的调控机制，包括抗氧化防御系统、细胞壁改良以及金属隔离途径。在这些过程中，金属的吸收、转运和定位调控起着核心作用，这类调控主要由NRAMP、ZIP、HMA和YSL等转运蛋白家族负责[7]、[8]。例如，OsNRAMP5是水稻根部吸收镉的主要转运基因，而OsHMA3则在液泡中隔离镉，从而阻止其向地上部分转移[9]、[10]。其他转运蛋白，如OsNRAMP1、OsIRT2和OsIRT1，也参与镉的吸收和体内分布[11]、[12]。因此，协调调控这些转运系统对于维持金属平衡及提升植物镉耐受性极为重要。

蛋白磷酸酶2C蛋白是调控植物信号网络的关键因子，它们通过可逆的磷酸化反应介导植物对非生物胁迫的反应[13]。作为脱落酸信号通路的核心组分，PP2C蛋白通过调控SnRK2激酶及下游的转录反应来调节植物的胁迫适应能力[14]。先前的研究表明，若干PP2C蛋白成员，如OsPP2C03、OsPP65和OsPP2C49，在调控水稻对干旱、盐分及其他非生物胁迫的响应中发挥着重要作用[15]、[16]、[17]。此外，2C型蛋白磷酸酶OsNY1已被证实能够提升多倍体水稻的砷耐受性[18]。然而，尽管已有大量研究探讨PP2C蛋白在一般胁迫适应中的作用，但它们在重金属胁迫中的作用——尤其是对镉的吸收、转运和解毒过程的调控作用——目前仍不甚明了。

纳米技术被视为缓解植物重金属胁迫的一种极具前景的方法[19]。多种纳米材料能够减少植物对镉的吸收，增强其抗氧化能力，并在胁迫条件下促进植物生长。例如，氧化铁纳米颗粒和二氧化锰纳米颗粒（MnO?-NPs）已被证明可以通过调控植物的生理和生化过程来减轻镉毒性[20]、[21]。钼是一种重要的微量营养素，参与多种关键代谢活动，包括氧化还原反应和氮代谢。用氧化钼纳米颗粒强化大豆是一种颇具潜力的新方法，有望显著提升大豆的产量和营养价值[22]。最近有研究显示，MoO?-NPs能够提升Solanum nigrum等植物的镉耐受性，但其效果具有浓度依赖性，过量使用反而可能加剧毒性[23]。尽管取得了这些进展，但通过MoO?-NPs缓解水稻镉胁迫的分子和转录机制——尤其是在多倍体水稻中——仍大多未被深入研究。此外，基于纳米材料的修复技术与植物固有的基因调控系统之间的相互作用也尚未得到充分探究。

本研究聚焦于在新四倍体水稻中发现的PP2C基因NY1，旨在阐明其在镉胁迫响应中的作用。我们利用CRISPR/Cas9技术构建的ny1突变体，研究了植物在镉暴露后的生理、细胞学及转录组反应，并评估了MoO?-NPs缓解镉毒性的潜力。我们的假设是：NY1通过调控金属转运蛋白的表达以及维持氧化还原平衡来调节镉耐受性，而MoO?-NPs则是通过与这些调控途径相互作用来减轻镉毒性。具体而言，本研究不仅明确了PP2C基因在多倍体水稻镉耐受性中的功能作用，还揭示了NY1介导的基因调控与MoO?-NPs缓解作用之间的协同效应。本研究旨在：（i）阐明NY1在调控多倍体水稻镉吸收、转运及氧化应激反应中的分子机制；（ii）评估MoO?-NPs在减少镉积累和毒性方面的有效性。这些发现为将基因调控与基于纳米材料的策略相结合，用于应对作物中的重金属胁迫提供了新的思路。

章节节选

材料与培养条件

本研究以华南农业大学培育的一株新四倍体水稻（Oryza sativa L.）品系（H1）作为野生型对照。该ny1敲除突变体是通过CRISPR/Cas9系统从H1品系中构建得到的，具体方法已在前文中有详细描述[24]、[25]。

种子首先在0.75%（v/v）的次氯酸钠溶液中表面消毒30分钟，随后用去离子水彻底冲洗。消毒后的种子被浸泡在去离子水中以启动萌发，之后被放置在湿润的环境中

MoO?-NPs的表征

为确保这些纳米材料适用于植物处理，我们通过扫描电镜、X射线衍射以及Zeta电位分析等方法对其物理化学性质进行了表征（见图S1A-D）。

分析结果显示，MoO?-NPs具有清晰的晶体形态，平均粒径为114.1纳米，Zeta电位为-28.5毫伏，多分散性指数为0.267，Zeta偏差值为7.19毫伏。这些参数表明该纳米材料的粒径分布相对均匀，且质量较好

NY1敲除使四倍体水稻在形态、生化及分子层面对镉更为敏感

蛋白磷酸酶2C是植物适应非生物胁迫的重要调控因子，其功能受损往往会导致植物的胁迫耐受性下降[13]、[37]。PP2C蛋白具有多种功能，有时甚至作用相互矛盾，通常在胁迫信号通路中充当“典型的负调控因子”，抑制它们的活性能够激活下游的防御反应[17]、[38]。不过，PP2C蛋白也可以发挥正调控作用，帮助植物提升胁迫耐受性。例如，

结论

本研究以四倍体水稻H1品系及其ny1敲除突变体作为实验材料，证明了PP2C型磷酸酶NY1在调控水稻镉耐受性中起着关键作用。NY1功能缺失会导致水稻对镉的吸收和积累增加，进而加重镉引起的植物生长障碍、光合性能下降以及细胞结构损伤。转录组分析进一步表明，NY1缺乏会改变与镉转运相关的基因表达水平，

环境意义

水稻中的镉污染会威胁粮食安全与人类健康。多倍体水稻具备更强的环境胁迫耐受性，因此有必要深入研究其背后的抗逆机制。本研究表明，2C型蛋白磷酸酶NY1的功能缺陷会导致多倍体水稻对镉的吸收增加。NY1与氧化钼纳米颗粒共同通过维持根系结构、减轻氧化应激、促进DNA修复等方式，提升了水稻的镉耐受性，

CRediT作者贡献说明

Muhammad Farooq： 文章撰写——审阅与编辑、研究指导、定量分析、概念设计。Fozia Ghouri： 文章撰写——初稿撰写、项目管理、资金获取、数据整理、概念设计。Muhammad Qasim Shahid： 文章撰写——审阅与编辑、初稿撰写、项目管理、方法设计、定量分析、概念设计。Zihang Lin： 文章撰写——初稿撰写、方法设计。Lixia Sun： 文章撰写——初稿撰写、方法设计、实验实施。Zhen Li：

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

作者们使用了Gemini v. 2.5 Pro来提升语言表达的清晰度，并修正语法和风格上的小错误。他们已仔细审核所有建议，对本文的内容负全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们对所有在实验室中协助开展研究和分析工作的人员表示衷心的感谢。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32350610253）的资助。

Muhammad Qasim Shahid|Zihang Lin|Lixia Sun|Zhen Li|Muhammad Farooq|Fozia Ghouri

中国广东省广州市510642，华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室