外源硼通过降低镉积累、增强细胞壁固定及调控基因表达缓解湖北海棠（Malus hupehensis Rehd.）水培条件下镉毒害的生理与分子机制研究

《Horticulturae》：Boron Mitigates Cadmium Toxicity by Reducing Cadmium Accumulation, Enhancing Cell Wall Immobilization and Regulating Gene Expression in Malus Rootstock Under Hydroponic Conditions

　　

为探究外源硼（boron, B）在镉（cadmium, Cd）胁迫下对木本果树的缓解作用及其潜在机制，研究人员以湖北海棠（Malus hupehensis Rehd.）幼苗为材料，采用不同B浓度（0、12.5、50和150 μM H₃BO₃）进行水培试验。Cd胁迫显著抑制了植株生长，降低了光合参数、色素含量、生物量及根系活力，同时诱导了活性氧（reactive oxygen species, ROS）的积累。相比之下，50 μM B处理（B2）有效缓解了Cd毒害。该处理显著降低了各组织中Cd的积累量、生物富集系数（bioconcentration factor, BCF）及转运系数（translocation factor, Tf）。B2处理通过提高果胶含量和果胶甲酯酶（pectin methylesterase, PME）活性，增强了根系细胞壁对Cd的固定能力。此外，该处理促使Cd的化学形态向低毒形态转化——增加了果胶和蛋白质结合态、磷酸盐结合态及草酸盐结合态Cd的比例，同时降低了无机态和水溶态Cd的比例。B2处理提高了超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和过氧化物酶（peroxidase, POD）的活性，并增加了游离脯氨酸和抗坏血酸（ascorbic acid, AsA）的含量，从而减少了ROS和丙二醛（malondialdehyde, MDA）的积累。B2处理还下调了参与Cd吸收的关键基因ZIP6和IRT1的表达。总之，在测试浓度中，最有效浓度（50 μM）缓解了湖北海棠的Cd胁迫，其机制涉及改变Cd吸收和转运、增强细胞壁固定、改变Cd化学形态、改善抗氧化响应以及改变胁迫相关基因表达。

**论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

重金属污染是全球面临的严峻环境挑战，其中镉（cadmium, Cd）对植物生长和人类健康的威胁最为突出。在中国，约7%的耕地已受到Cd污染。近年来，不合理的果园管理和施肥导致果园土壤中Cd逐渐积累。Cd具有高生物毒性和难降解特性，易被植物吸收并在体内积累，进而损害光合器官、抑制光合作用、诱导氧化胁迫、破坏细胞膜结构与功能、使酶和蛋白质失活，最终抑制植物生长并降低作物产量。因此，探索缓解苹果砧木Cd毒害的可行策略具有重要的现实意义。

硼（boron, B）是植物必需的微量元素，参与细胞分裂与伸长、核酸代谢、生物膜结构与功能维持、酶活化及碳水化合物代谢等多种生理过程。已有研究表明，在草本植物如小麦和水稻中，外源B可显著抑制Cd的吸收和转运。然而，B对木本果树特别是苹果植物Cd胁迫的缓解效应及其机制尚未见报道。此外，B的缺乏与毒害之间范围狭窄，在用于缓解Cd毒害之前，必须针对每个实验体系筛选适宜的B浓度。基于此，研究人员以湖北海棠（Malus hupehensis Rehd.）为试材，系统研究了不同浓度B对Cd胁迫下苹果砧木幼苗Cd积累、细胞壁固定、抗氧化防御及基因表达的影响，旨在揭示B缓解木本果树Cd毒害的生理与分子机制，为果园Cd污染治理和果树可持续生产提供理论依据。

**二、主要技术方法**

本研究采用4×2双因素试验设计，设置4个B水平（0、12.5、50和150 μM H₃BO₃）和2个Cd水平（0和50 μM CdCl₂），共8个处理组合，每处理3个生物学重复。以湖北海棠实生苗为材料，水培处理30天后取样。主要技术方法包括：利用便携式光合系统测定光合气体交换参数；采用火焰原子吸收光谱法测定各组织Cd含量并计算生物富集系数（BCF）和转运系数（Tf）；通过差速离心法进行Cd亚细胞分布分析；采用五步连续提取法分析Cd化学形态；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析根系细胞壁功能团特征；通过比色法测定细胞壁组分含量及相关酶活性；测定活性氧（O₂^?、H₂O₂）、丙二醛（MDA）含量及抗氧化酶活性和非酶抗氧化物质含量；采用qRT-PCR技术分析Cd吸收和转运相关基因（ZIP6、IRT1、MTP1、MHX）的表达水平。所有数据采用双因素方差分析和Tukey HSD多重比较进行统计检验。

**三、主要研究结果**

*3.1 适宜B浓度缓解Cd对生长的抑制*

Cd胁迫显著降低了湖北海棠幼苗的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）及光合色素含量，并抑制了各组织生物量的积累和根系生长。施用50 μM B（B2处理）后，上述Cd引起的生长抑制得到最显著的缓解，而150 μM B则加重了Cd毒害效应，表明B的缓解作用具有浓度效应，50 μM为最适浓度。

*3.2 B降低Cd积累与转运*

与不加B的Cd处理相比，B2+Cd处理显著降低了根、茎、叶中的Cd浓度，降幅分别为25.23%、32.60%和44.72%。同时，B2+Cd处理使根部和地上部的BCF分别降低38.52%和25.23%，Tf降低21.25%，表明适宜B浓度有效抑制了Cd的吸收和向地上部的转运。

*3.3 B改变Cd化学形态与亚细胞分布*

B2+Cd处理显著降低了根和叶中迁移性强、毒性高的无机态和水溶态Cd比例，同时提高了迁移性较弱、毒性较低的果胶与蛋白质结合态及难溶性磷酸盐结合态Cd的比例。在亚细胞水平，B2+Cd处理显著提高了细胞壁中Cd的分配比例，降低了质体、线粒体和液泡中Cd的比例，说明细胞壁固定是B限制Cd向细胞内转运的关键机制。

*3.4 B增强细胞壁Cd固定能力*

在根系细胞壁各组分中，果胶中的Cd含量和比例最高。B2+Cd处理显著增加了果胶及半纤维素1（HC1）中Cd的含量和比例，同时FTIR分析显示B2处理增强了细胞壁中羧基（-COO^?）、羟基（-OH）和羰基（C=O）等关键功能团的吸收峰强度。B2+Cd处理还显著提高了果胶含量和果胶甲酯酶（PME）活性，表明适宜B通过促进果胶合成及其去甲酯化，增加游离羧基数量，从而增强细胞壁对Cd²⁺的螯合固定能力。

*3.5 B缓解Cd诱导的氧化胁迫*

Cd胁迫显著诱导了根和叶中O₂^?、H₂O₂及MDA的积累。B2+Cd处理显著降低了上述氧化胁迫指标的水平。与此相应，B2+Cd处理显著提高了根和叶中游离脯氨酸和总巯基（T-SH）含量，增强了POD活性以及根中抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，表明适宜B通过激活酶促和非酶促抗氧化系统增强了植株的氧化胁迫耐受能力。

*3.6 B调控Cd吸收与转运相关基因表达*

在Cd胁迫下，B2+Cd处理使Cd吸收相关基因ZIP6和IRT1的表达分别降至B0+Cd处理的约1/6.14和1/1.72，表明B通过转录水平下调Cd内流转运蛋白基因来减少Cd的吸收。此外，虽然Cd胁迫上调了液泡区室化相关基因MTP1和MHX的表达，但B2处理下这两个基因的表达水平始终最低，提示适宜B缓解Cd毒害的主要途径是强化细胞壁固定，而非促进液泡区室化。

**四、讨论总结与研究结论**

本研究系统揭示了适宜浓度B（50 μM）缓解湖北海棠Cd毒害的多层次机制。在整体水平上，适宜B供应改善了光合性能和植物生物量，降低了Cd在根和叶中的积累及ROS和MDA含量，增强了抗氧化防御能力。与以往认为液泡区室化是B介导重金属解毒途径之一的观点不同，本研究表明细胞壁驱动的Cd固定是主导途径：适宜B通过修饰细胞壁组分、促进果胶相关的Cd螯合，限制了Cd从根系细胞壁向胞内区室的转运。在分子水平上，B下调了Cd吸收相关基因（IRT1、ZIP6）及液泡区室化相关基因（MHX、MTP1）的转录。研究结论为：在测试浓度中最有效的50 μM B通过以下相互关联的机制有效缓解了湖北海棠幼苗水培条件下的Cd毒害：（1）B通过提高果胶含量和PME活性增强根系细胞壁对Cd的固定，促使Cd亚细胞分布向迁移性低、毒性低的形态转变；（2）B激活酶促和非酶促抗氧化系统，降低ROS积累和膜脂过氧化，改善细胞氧化还原稳态；（3）B通过下调Cd内流转运蛋白基因ZIP6和IRT1的表达减少Cd吸收。这些发现为利用B缓解果园Cd污染和保障果树可持续生产提供了机制性依据，但由于本研究基于水培幼苗实验，相关结论在田间果园生产中的推广应用尚需进一步验证。