细胞壁结合机制为高羊茅衰老叶片中镉的优先积累提供了新的见解

《Environmental Pollution》：Cell Wall Binding Mechanism Provides Insights into Preferential Cadmium Accumulation in Senescent Leaves of Tall Fescue

　　

摘要：

镉（Cd）污染对粮食安全和人类健康构成严重威胁。植物修复技术仍受到植物吸收和积累镉机制的挑战限制。高羊茅（Festuca arundinacea）的衰老叶片中会优先积累镉，因此可以通过收割这些衰老叶片来实施植物修复策略。然而，导致镉在衰老叶片中积累的潜在机制尚不完全清楚。在这里，我们采用生理学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学综合方法，阐明了叶片衰老过程中与细胞壁相关的镉结合机制。生理学研究表明，镉与细胞壁的结合在叶片衰老过程中的镉积累中起核心作用。果胶，尤其是水溶性果胶和螯合溶性果胶，被确定为镉的主要结合位点。叶片衰老期间，果胶甲基酯化显著减少。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步表明，细胞壁的功能基团，尤其是羟基（-OH）和羧基（-COOH），参与了镉的结合。转录组学、代谢组学和蛋白质组学分析显示，衰老过程中果胶酯酶显著上调，这导致果胶甲基酯化减少和自由羧基暴露，从而促进镉的结合。我们的发现表明，果胶甲基酯化减少以及细胞壁中羟基和羧基的暴露是镉在衰老叶片中优先积累的关键机制。这一见解为提高植物修复效率提供了有希望的途径，并通过靶向收割衰老叶片促进了创新。

引言

镉（Cd）具有高度迁移性，对生物体有毒，并且难以降解。即使在微量浓度下，镉也可能致癌且致命，根据联合国环境规划署[1]的数据，它是最危险和最有毒的重金属之一。修复镉污染土壤的方法包括物理法、化学法和生物法[2]。作为生物修复方法之一，植物修复技术在经济性、土壤保护、环境友好性和可持续性方面具有显著优势[3]。Myrna（1997）比较了各种土壤修复方法的成本，发现植物修复的成本仅为更换新鲜土壤的30%，填埋场的2%，以及化学淋滤液的0.3%[4]。

植物修复技术依赖于超积累植物的生物过程：从土壤中吸收镉，将其从根部转移到叶片中并积累在叶片中，然后通过收割植物残体来去除这些污染物，这些残体将土壤污染物富集在植物组织中[5]。植物修复技术的难点在于如何处理大量受污染的植物残体[6]。处理这些残体消耗了植物修复成本的50%以上，同时也存在镉二次污染的风险[7]。我们之前的研究发现，高羊茅（Festuca arundinacea）会在其衰老叶片中优先积累镉（占植株中镉含量的73.4-87.2%），并提出了通过收割衰老叶片进行植物修复的新策略[8]。Wang等人[9]在模拟盆栽实验中评估了收割衰老叶片与传统收割整株植物的植物修复效果，发现两者之间没有显著差异，但仅通过收割衰老叶片处理的植物残体占比为12.6-16.3%。Luo等人[5],[10]也证明收割高羊茅的衰老叶片可以有效去除土壤中的镉。高羊茅是一种多年生草坪草本植物，具有持续生长和新叶产生的能力。收割衰老叶片不会显著影响植物的正常生长[11]。高羊茅建立后，通过定期收割衰老叶片可以实现长期连续的植物修复，从而避免了传统植物修复方法带来的二次污染风险（如每次收割后需要翻耕和重新种植，以及处理大量植物残体）。

在高羊茅的叶片衰老过程中，镉高度浓缩[8],[11]。然而，镉优先积累在衰老叶片中的机制仍不清楚。镉是一种可移动的金属元素。然而，在叶片衰老过程中，大多数可移动的金属元素（钾K、镁Mg、钠Na、铜Cu、锌Zn）都是通过维管系统输送到新器官进行再利用[12],[13]。奇怪的是，可移动的镉并没有像其他金属元素那样被转移出去，反而积累在衰老叶片中。液泡区室化和细胞壁结合是植物中重金属解毒的两个主要途径[14],[15]。在叶片衰老过程中，液泡功能逐渐衰退并最终破裂[16]。因此，液泡区室化可能不是镉在衰老叶片中积累的原因。

大多数生物大分子，包括蛋白质、脂质和多糖，在叶片衰老过程中降解为小分子或单分子[17]。尽管细胞壁中的许多大分子也会被降解，但细胞壁成分仍然是衰老叶片中的主要生物量[18]。我们推测细胞壁在叶片衰老过程中可能在形成镉结合池方面起着关键作用。因此，在这项研究中，我们使用生理学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学方法来研究高羊茅叶片衰老过程中细胞壁成分、化学基团变化、甲基酯化和代谢对镉结合的影响。

章节片段

实验材料与镉处理

实验植物材料为高羊茅（Festuca arundinacea cv ‘Barlexas’）。选取健康种子并进行水培栽培。使用直径16厘米的圆形泡沫浮板和开口直径17厘米的黑色塑料盆。泡沫板放置在盆边缘下方1厘米处。每个泡沫板上钻有25个直径1厘米的孔用于种植。幼苗发芽前使用蒸馏水，然后将盆置于受控气候环境中

与叶片衰老相关的镉积累

叶片生物量反映了叶片发育的功能期和衰老期。第4、5和6片叶片分别在处理后0天、7天和14天出现。叶片出现后，生物量迅速增加，在功能期达到峰值（第4片叶片在处理后35天；第5片叶片在42天；第6片叶片在49天）（图1A）。当叶片开始衰老时，生物量持续下降。

衰老叶片中的镉与细胞壁的结合

我们之前的研究表明，高羊茅中的镉主要积累在衰老叶片中，这为实现靶向植物修复提供了可能——只需收割衰老叶片而无需收割整株植物[8]。在这里，我们进一步揭示了其机制：衰老叶片中镉的超积累是由动态的细胞壁重塑驱动的。

先前的研究发现，细胞壁是植物中重金属结合和解毒的关键部位[27]。Tang等人（2023）报告称，镉

结论

通过结合生理学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学分析，阐明了高羊茅叶片衰老过程中镉与细胞壁结合的机制。衰老叶片中高浓度的镉与细胞壁中的镉结合增强密切相关，尤其是水溶性果胶（WSP）和螯合溶性果胶（CSP）的贡献显著。

CRediT作者贡献声明

王兆龙：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。李彦邦：监督、资金获取、概念构思。彭淑华：方法学、研究。朱宝华：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念构思。左少帆：研究、数据分析。胡 sangyuan：方法学、研究

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的研究工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（31872412, 32272753）的财政支持

朱宝华|胡 sangyuan|左少帆|彭淑华|李彦邦|王兆龙

上海交通大学农业与生物学学院，上海200240，中国