SeABI5 转录因子将 ABA 信号转导与黄酮类抗氧化剂的合成相耦合，从而赋予海蓬子镉耐受性

《Journal of Hazardous Materials》：The SeABI5 transcription factor couples ABA signaling with flavonoid antioxidant production to confer cadmium tolerance in Salicornia europaea

　　

摘要理解以盐角草为代表的极端环境植物非凡的胁迫耐受机制，对于分离遗传工具以提高作物韧性至关重要。然而，盐角草对镉（Cd）的详细机制仍知之甚少。在此，结合转录组和代谢组谱分析，我们阐明了盐角草对镉胁迫的适应性反应。镉胁迫引发了广泛的代谢和转录重编程，有 237 种代谢物和 1,677 个基因上调，其中在镉胁迫下，盐角草根部诱导最显著的是类黄酮生物合成基因（SeCHS 和 SeF3H）及其相应的类黄酮产物。特别是，在镉胁迫下，盐角草根部抗氧化类黄酮山奈酚和槲皮素的含量分别增加了 2.3 倍和 3.8 倍。外源施用这些化合物证实了它们通过降低 28.1-37.4% 的丙二醛（MDA）水平来对抗镉诱导的氧化损伤的保护作用，突显了类黄酮途径作为核心适应策略的地位。通过靶向分子筛选，我们鉴定并验证了 bZIP 转录因子 SeABI5 作为该代谢反应的主调节因子。同时，脱落酸（ABA）介导的信号激活 SeABI5，后者随后直接结合到含有三个 ABRE 顺式元件的 SeCHS 和 SeF3H 启动子上，以增加镉胁迫下的类黄酮产量。该调控模块的本质性质在拟南芥中得到了证实，其中 ABI5 敲除突变体在镉胁迫下表现出根伸长减少 34.8% 和植株高度降低 49.5%，并且完全丧失了对脱落酸诱导的类黄酮生物合成和镉耐受的能力。相反，AtABI5 过表达通过促进类黄酮积累和减少镉诱导的氧自由基含量来增强镉耐受性。总之，我们的发现确立了 SeABI5 作为一个高价值遗传资源，它将胁迫感知与抗氧化物质生产直接耦合，为培育具有增强重金属胁迫耐受性的作物提供了精确的分子靶点。

引言重金属胁迫是一种主要的非生物胁迫，严重限制了全球植物的生长、发育和农业生产力 [1]，[2]。在重金属污染的土壤中，高水平重金属元素的积累很常见，这可能是对植物造成危害的主要原因 [3]。极端环境植物是一类专门的植物，进化出了非凡的适应机制，能够在非凡的环境中茁壮成长 [4]，[5]，[6]。其中，盐角草（普通玻璃草）尤为突出，是一种能够忍受超过 1000 mM NaCl 高盐条件的模式极端环境植物 [7]，[8]。属于苋科，盐角草广泛分布于全球沿海和内陆盐沼，包括中国西北和东北的显著种群 [4]，[9]。其耐盐和金属胁迫的生理策略包括将离子高效区室化到液泡中、合成相容性溶质进行渗透调节以及强大的抗氧化系统以减轻氧化损伤 [4]。除了其生态作用外，盐角草作为蔬菜、饲料和生物活性化合物来源具有经济潜力 [9]。测序技术的最新进展，如 PacBio HiFi、Oxford Nanopore 超长读段和 Hi-C 支架，使得组装完整的端粒到端粒（T2T）无间隙基因组成为可能，如最近实现的四倍体盐角草 [10]。这一基因组资源提供了前所未有的机会，可以破译多倍体驱动环境适应的遗传基础，鉴定关键胁迫响应基因，并揭示二倍体和四倍体谱系之间的结构变异（SVs）。利用这类耐盐遗传资源对于鉴定和转移有价值的胁迫耐受基因到传统作物中至关重要，为在重金属污染土壤中增强农业韧性以及减轻重金属对全球粮食安全的有害影响提供了可持续策略。然而，盐角草对重金属胁迫的详细适应机制仍不清楚。

在重金属污染环境胁迫下，植物积累各种次级代谢物，在减轻胁迫中发挥关键作用 [11]。类黄酮是一大类酚类化合物，越来越多地被认为具有多方面的保护功能 [12]，[13]。它们作为强效抗氧化剂，清除重金属胁迫下产生的活性氧（ROS），从而保护细胞成分免受氧化损伤 [14]。此外，类黄酮可以螯合金属离子，减少细胞内有毒金属的生物有效性，并调节生长素运输和信号传导以影响根系架构，从而更好地吸收营养和水，同时增强膜稳定性 [13]，[14]，[15]。它们的合成通常通过苯丙烷生物合成在非生物胁迫下上调，这是压力适应植物如盐角草基因组研究中也强调的关键代谢途径 [16]，[17]。例如，在四倍体盐角草中，苯丙烷生物合成在亚基因组 A 特异性基因中显著富集，包括几个 III 类过氧化物酶基因，表明了一种量身定制的适应响应 [10]。除了类黄酮，其他代谢物如脯氨酸和可溶性糖积累进行渗透调节，而甘氨酸甜菜碱和多胺等化合物有助于清除 ROS 并在重金属胁迫下维持细胞稳态 [5]，[15]，[18]。代谢组学研究数据与基因组数据的整合表明，涉及这些次级代谢途径的基因家族的扩张和收缩是面临重金属胁迫的盐生植物中关键的进化事件 [7]，[19]，[20]。具体而言，最近的研究表明，重金属胁迫，特别是镉（Cd），诱导极端环境植物发生显著的代谢重编程，其中类黄酮如山奈酚和槲皮素作为关键保护代谢物出现 [21]，[22]。了解这些代谢物在盐角草等盐生植物中的生物合成、调控和精确功能，为工程改造代谢途径以提高作物重金属耐受性提供了有价值的见解和潜在遗传靶点。

植物对重金属污染环境胁迫的适应性反应由复杂的转录重编程控制，由各种转录因子（TF）家族编排 [23]，[24]，[25]。涉及重金属胁迫信号的关键 TF 包括来自 AP2/EREBP、NAC、MYB、MYC、bZIP 和 WRKY 家族的 TF [23]，[24]。这些 TF 调节下游胁迫响应基因的表达，这些基因编码金属转运蛋白（如 NRAMPs 和 ABC 转运蛋白）、参与金属螯合和液泡隔离的酶以及抗氧化蛋白 [26]，[27]。例如，bZIP 转录因子已被证明在重金属胁迫响应中发挥关键作用：大豆 bZIP 转录因子 GmbZIP152 被重金属胁迫显著诱导，并通过上调抗氧化酶基因和胁迫响应标记基因来增强耐受性 [28]，[29]，[30]。类似地，WRKY 和 MYB 转录因子已被证明直接调节植物螯合肽合酶基因和金属转运蛋白基因的表达，从而调节镉的吸收、转运和耐受性 [31]，[32]。盐生植物的基因组分析显示，此类 TF 家族在响应重金属胁迫时存在谱系特异性扩张或独特表达 [2]，[27]，[33]。在盐角草中，基因家族进化分析显示其两个亚基因组之间存在不同的模式，其中亚基因组 B 的扩张富集于调节功能 [10]，[19]。此外，TF 也可以调节次级代谢；例如，MYB 和 bZIP TF 通常控制苯丙烷途径，将转录控制与基于代谢物的胁迫保护联系起来 [25]，[26]，[34]。值得注意的是，在盐角草二倍体和四倍体谱系中共同扩张的一组基因家族中鉴定出了特定的类 MYB TF，暗示了它们在响应重金属胁迫中保守的调节重要性 [7]，[23]。揭示盐生植物中这些 TF 调控的调控网络对于鉴定可用于工程改造敏感作物物种广谱胁迫耐受性的主调节因子至关重要。

盐角草作为一种极端环境植物，表现出对极端环境的强耐受性 [10]。同时，随着最近组装的盐角草 T2T 无间隙基因组可用，它拥有丰富的基因库，使植物能够防御重金属胁迫 [10]。然而，其非凡重金属胁迫耐受性的分子机制在很大程度上仍未被探索。本研究采用整合转录组和代谢组学方法来剖析其重金属污染环境胁迫和镉（Cd）耐受机制。同时，核心调节基因的功能通过遗传方法被鉴定和表征，而其调节植物镉耐受性的机制利用分子生物技术得以阐明。总之，阐明极端环境植物中的这一调控模块不仅增进了我们对植物适应重金属胁迫的基本理解，还确定了通过代谢工程提高作物环境韧性的有价值遗传资源。

章节片段材料与方法详细的材料与方法见补充材料。
盐角草在根部积累更多类黄酮以防御重金属污染土壤中的镉胁迫
为了调查盐角草（SE）对非生物胁迫的适应机制，我们分析了从重金属胁迫（HSR）和正常对照条件（CKR）收集的 SE 根部的代谢谱（图 1A；图 S1）。在重金属胁迫环境下，与对照相比，SE 根部积累了显著更高水平的总酚酸和类黄酮（图 S1A，B），同时丙二醛（MDA）含量增加，表明存在氧化胁迫（图 S1C）。

讨论揭示盐生植物响应非生物胁迫的机制并鉴定有价值的遗传资源，将为胁迫耐受作物的分子育种奠定基础。在本研究中，我们采用整合转录组和代谢组学方法来破译极端环境植物 - 盐角草极端重金属耐受的分子基础。镉（Cd）积累被确定为影响生理状态的关键因素。值得注意的是，镉暴露

结论总之，本研究阐明了极端环境植物盐角草中重金属污染耐受性背后的精确调控网络。通过整合转录组和代谢组学分析，我们鉴定类黄酮代谢，特别是山奈酚和槲皮素的积累，作为对抗镉诱导氧化胁迫的关键适应机制。我们进一步确立了转录因子 SeABI5 作为中心枢纽，直接激活关键生物合成

资金这项工作得到了国家自然科学基金（批准号 32502450）、中国博士后科学基金会（批准号 2025M773792）和陕西省博士后研究项目（批准号 2024BSHSDzz188）的支持。

CRediT 作者贡献声明孙光宇：验证。刘晨曦：资源。杨金秋：资源。刘璐：监督。王双红：资源。刘光利：写作 – 审查与编辑，软件。吉朋涛：资源。周金超：写作 – 原始稿。李慧科：写作 – 审查与编辑，资金获取。杜友伟：写作 – 审查与编辑，软件，方法论。薛沙：写作 – 审查与编辑，资金获取。

CRediT 作者贡献声明所有作者都参与了文章并批准了提交的版本。Y.D.，S.X. 和 H.L. 设计了研究并修改了手稿；J.Z.，G.L. 和 Y.D. 进行了研究，分析了数据并撰写了论文；P.J.，C.L.，J.Y. 和 S.W. 构建了转基因植物；C.L. 和 J.Y. 进行了 RT-qPCR；G.S.，S.X. 和 G.L. 完善了想法并修改了手稿；G.S.，Y.D.，S.X. 和 H.L. 讨论了结果。

利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或可能影响本论文中报告工作的个人关系。

致谢我们感谢李露琪女士和西北农林科技大学生命科学研究核心服务在 LC-TOFMS/MS 测定中的技术支持。我们感谢上海生物树生物医学技术提供数据库支持和代谢物注释。

周金超 | 吉朋涛 | 刘光利 | 王双红 | 刘璐 | 刘晨曦 | 孙光宇 | 薛沙 | 杜友伟 | 李慧科
西北农林科技大学资源环境学院，中国陕西省杨凌 712100