铝（Al）是地壳中最丰富的金属元素，通常以氧化物和铝硅酸盐的形式存在，对植物无毒 [1]。然而，当土壤 pH 值降至 5.0 或以下时，铝转化为植物毒性的 Al3?形式，植物易吸收并严重抑制生长 [2], [3]。铝毒害被广泛认为是酸性土壤中植物发育的主要限制因素 [3], [4], [5]。它影响全球约 50% 的潜在可耕地，导致依赖物种的产量损失 25-80% [6]。此外，这一挑战因工业和城市排放、农业实践以及铝金属加工操作驱动的全球土壤酸化加剧而恶化 [6], [7], [8]。因此，开发具有强健耐酸性土壤和铝毒害能力的植物变得至关重要。
铝毒害对植物产生一系列有害影响，表现为根系发育停滞、生物量积累受抑制、营养稳态紊乱、光合作用受损以及活性氧（ROS）过量积累 [6], [9], [10]。为了应对这种逆境，植物进化出了一系列适应机制，其中细胞壁架构和组成的动态调节成为关键策略 [11], [12]。细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成，含有丰富的带负电荷的磷酸和羧基部分，表现出对 Al3?的强亲和力，使其能够螯合 Al3? [13], [14]。暴露后，Al3?最初通过瞬间结合根细胞壁来靶向根表皮和皮层 [15], [16]。因此，根细胞壁作为抵御 Al3?入侵的初始屏障和主要防线。细胞壁组成的修饰对于限制 Al3?流入细胞质至关重要，从而增强植物对铝毒害的整体耐受性 [10], [17]。这种结构修饰由复杂的细胞壁酶网络协同完成，包括木葡聚糖内转糖基酶 - 水解酶（XTHs） [18]。
作为糖苷水解酶 16 家族（GH16）的一个亚家族，XTHs 在细胞壁合成和重塑中起关键作用，通过木葡聚糖切割（XEH 活性）和重新连接（XET 活性）调节细胞壁动态 [19], [20], [21]。XTHs 在调节植物生长和胁迫耐受性方面的功能已有充分记录。值得注意的是，XTHs 已被证明参与铝毒害响应。暴露于 Al3?时，高粱中的SbXTH7 [1] 和花生中的AhXTH32 [11] 下调，而拟南芥中的AtXTH5则显著上调 [22]。此外，XTH31 与 XTH17 相互作用，负向调节拟南芥中的铝耐受性 [23]。相反，油菜中BnaXTH22 [24] 和拟南芥中ZmXTH [25] 的过表达增强了对铝毒害的耐受性。因此，XTHs 关键地调节植物对铝毒害的耐受性。然而，目前关于XTHs在铝毒害响应中的研究主要集中在草本植物和作物上，专门阐述木本物种中这些过程的研究有限。
杨树（Populus）是杨柳科的木本物种 [26], [27]。以其快速生长、广泛的适应性和耐胁迫性为特征，它们被广泛栽培用于木材和生物能源生产、水土保持以及重金属植物修复 [28], [29], [30]。杨树自然生长在酸性土壤中 [31]，而 Al3?毒害被认为是限制其成功定植和后续生长的主要因素 [32]。因此，栽培耐铝杨树不仅能促进酸性土壤中的生长和木材生产，还有助于可持续的重新造林和生态恢复。在P. tremuloides和P. trichocarpa中，大部分吸收的铝仍被隔离在根系中 [33]。此外，观察到不同杨树种质之间的差异敏感性，与铝向共质体转运的程度密切相关 [34]。然而，杨树中铝积累和耐受的机制仍知之甚少，XTHs 在这些响应中的具体作用尚未阐明。
在本研究中，我们调查了中国本土杨树物种P. cathayana对铝毒害的响应。随后，PcXTH22，一个关键的 XTH 成员，被鉴定为候选调节因子，其功能通过转基因方法结合转录组谱分析得到验证。具体而言，我们的目标是：（i）筛选参与P. cathayana对铝毒害响应的XTH基因，以及（ii）确定PcXTH22如何贡献于铝毒害耐受性。
