根镉排斥由活性钙外排系统介导，有助于芥菜型油菜（*Brassica juncea*）的镉耐受性

《Plant Stress》：Root Cd exclusion mediated by the active calcium efflux system contributes to Cd tolerance in Brassica juncea

　　

摘要：镉（Cd）是对生物体最危险的金属之一，其在食物链中的存在对人类健康构成严重风险。此前研究表明，补充钙（Ca）可降低植物组织中的镉积累，尽管该过程的机制基础仍不明确。在本研究中，研究人员利用芥菜型油菜（*Brassica juncea*，印度芥菜）——一种众所周知的金属积累植物，广泛用于研究植物中金属积累的生理和生化途径——来解决上述知识空白，并阐明补充Ca2?可能调节Cd2?跨根细胞膜转运的机制。研究人员提供证据表明，高浓度外部Ca2?可使芥菜型油菜中的镉积累降低超过95%。这种缓解作用不仅源于离子竞争和Cd2?吸收的阻断，还源于根和原生质体中Cd2?外排分别被刺激增加了34%和38%。研究还提供证据表明，BjPCR1——印度芥菜中植物镉抗性（PCR）蛋白家族的一员，作为Ca2?外排转运蛋白发挥作用——可能是介导芸苔属植物根中热力学活性Cd2?外排的候选蛋白。总体而言，研究人员的发现揭示了一种新颖且此前未被探索的机制——即通过Ca2?转运系统进行活性Cd2?挤出——作为芸苔属植物Cd2?耐受性的组成部分，为植物育种者提供了减少蔬菜品种镉积累的新靶点，从而保护人类健康免受镉毒性危害。

**论文解读：钙外排系统介导的根部镉排斥机制——芥菜型油菜镉耐受性的新见解**

**研究背景与科学问题**

镉（Cd）是环境中对生物体最具危害性的重金属之一。由于其化学结构与植物必需金属营养元素相似，且更容易与含巯基的分子发生反应，镉能够借助植物根系中转运必需微量营养元素的同一组转运蛋白进入植物体内。镉进入食物链后，会干扰多种蛋白质的正常功能，对植物生长发育造成损害，并对人类或动物健康构成严重威胁。

植物已发展出多种策略来抵御镉毒性，包括通过转运蛋白将Cd2?区隔化至液泡等亚细胞器中，以及通过转录和转录后调控机制减少镉的吸收。在此背景下，Ca2?已被认为是植物体内Cd2?吸收和细胞内区隔化的重要调控因子。已有报道指出，在植物根系中补充钙可以增强镉耐受性并减少镉积累，其机制被认为涉及离子竞争。然而，Ca2?调控Cd2?转运的具体分子机制仍不明确。特别值得关注的是，Ca2?转运蛋白是否直接参与植物体内Cd2?的转运，此前的认识十分有限。因此，本研究旨在利用模式积累植物芥菜型油菜，探究补充Ca2?调控Cd2?跨根细胞膜转运的深层机制。

**研究主要技术方法**

研究人员采用了多种关键技术手段开展研究。首先，利用水培体系培养芥菜型油菜（182921品系），并进行不同浓度Ca2?和Cd2?的处理，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定组织镉含量。其次，采用非损伤微测技术（MIFE）实时测定根部及原生质体的净Ca2?和Cd2?离子流。此外，通过药理学实验，运用多种离子通道及转运抑制剂（如CCCP、钒酸盐、La3?、Gd3?等）鉴定参与Cd2?吸收和外排的转运系统。最后，利用镉敏感酵母突变体（ycf1: DTY167）进行异源表达实验，验证BjPCR1基因在Cd2?耐受和外排中的功能。

**研究结果**

**1. 外源Ca2?增强了芥菜型油菜的Cd2?耐受性**
研究人员观察到，镉抑制了芥菜型油菜根和茎的生长并导致叶片失绿，且这种不良影响在低钙浓度下更为强烈。然而，外源高浓度Ca2?能够显著缓解镉的毒害效应，5 mM CaCl?可完全恢复由镉抑制的植物生长。在20 mM Ca2?条件下，经50 μM Cd2?处理的植株相对茎干重（SDW）为无镉对照组的80%，而在0.5 mM低钙条件下，相对茎干重仅为对照组的10%。外源Ca2?补充还恢复了由镉毒性引起的叶绿素含量下降。

**2. 外源Ca2?降低了芥菜型油菜中的镉积累**
通过比较不同Ca2?浓度（0.5-20 mM）下经50 μM CdCl?处理2周的植株根和茎中的镉浓度，研究人员发现Ca2?补充显著降低了芥菜型油菜根和茎中的镉积累。利用MIFE技术进行的离子流测定显示，高钙（5 mM）条件下根部的净Cd2?内流比低钙（0.1 mM）条件下低10倍。Gd3?（一种非选择性阳离子通道阻断剂）处理后，超过90%的Cd2?吸收被抑制，另一种NSCC阻断剂La3?也能减少根中镉含量。然而，质子解偶联剂CCCP的处理消除了Ca2?的缓解效应，暗示存在依赖质膜H?梯度的活性镉转运机制参与其中。在根原生质体实验中，补充Ca2?同样增强了Cd2?外排，而CCCP处理则削弱了这一效应。

**3. 芥菜型油菜根中的Cd2?外排可能由活性Ca2?挤出系统介导**
鉴于Cd2?和Ca2?物理化学性质的相似性，研究人员推测Ca2?外排系统可能参与了镉积累的降低过程。实验结果显示，向芸苔属植物根中添加Cd2?可激活Ca2?外排，且这一效应并非源于细胞壁的Donnan交换，因为：（1）添加Gd3?未诱导此类Ca2?外排；（2）CCCP和钒酸盐（H?-ATPase抑制剂）均减少了Cd2?外排的程度；（3）CPA（一种内质网型Ca2?-ATPase阻断剂）也显著减少了根部的镉外排；（4）外部高浓度Ca2?增加了Cd2?外排，而CCCP和Gd3?抑制了根原生质体中的Cd2?外排活性。药理学实验进一步表明，瞬时施加Ca2?导致大量Cd2?流失，CCCP可削弱此效应，而Gd3?则完全消除该效应，表明Ca2?的积极作用发生在细胞质侧。细胞分级实验显示，高浓度Ca2?处理使根细胞壁组分中镉的比例仅降低5%，表明细胞壁并非高钙降低镉积累的主要因素。

**4. BjPCR1可能构成Cd2?通透的Ca2?外排系统**
BjPCR1是芥菜型油菜中定位在质膜上的蛋白，属于植物镉抗性（PCR）家族，此前已被证明通过向根际挤出Ca2?来维持Ca2?稳态。在本研究中，研究人员利用酵母实验验证了BjPCR1是否介导Ca2?促进的Cd2?挤出。结果表明，过表达BjPCR1的酵母细胞在正常和过量Ca2?条件下均比空载体对照更耐受Cd2?。在短时Cd2?负载实验中，转化BjPCR1和空载体的酵母细胞表现出相似的镉浓度，但表达BjPCR1的酵母细胞在标准培养基中表现出更高的Cd2?外排活性，且在10 mM Ca2?存在下该活性进一步增强。这表明BjPCR1可能是在高Ca2?条件下芥菜型油菜根中Cd2?挤出的候选蛋白。

**讨论与结论总结**

本研究发现了一种芸苔属植物Cd2?耐受的新机制。Ca2?对镉毒性具有双重保护作用：一方面通过阻断非选择性阳离子通道减少Cd2?内流，另一方面通过激活依赖质膜H?梯度和ATP能量的Ca2?依赖型外排系统促进Cd2?的主动外排。BjPCR1作为一种Ca2?/H?反向转运体，被鉴定为介导热力学活性Cd2?外排的候选蛋白。

研究结论指出，这项工作报道了一种新机制——即通过Ca2?转运系统进行活性Cd2?挤出——作为芸苔属植物Cd2?耐受性的组成部分，并提供证据表明BjPCR1可能是介导芸苔属植物根中热力学活性Cd2?外排的候选蛋白。该发现为植物育种者提供了减少蔬菜品种镉积累的新靶点，对保护人类健康免受镉毒性危害具有重要意义。BjPCR1运行的化学计量比及其受Ca2?调控的机制有待未来研究进一步阐明。

该研究论文发表在《Plant Stress》期刊上。