第一作者：陈某一兴
通讯作者：蒋萍萍、张学洪
第一作者：傅悦心
通讯作者：蒋萍萍、张学洪
近期，桂林理工大学张学洪教授团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials（IF=13.6）上发表了题为“Physiological and biochemical responses of Leersia hexandra Swartz to nickel stress: Insights into antioxidant defense mechanisms and metal detoxification strategies”的研究论文。这项工作的目标是对李氏禾（该团队首次在国内发现并报道的铬超富集植物）在镍胁迫下进行全面的转录组学和代谢组学分析，以了解其氧化应激防御机制的调控，同时揭示潜在的镍耐受过程。团队成员后续在该期刊上发表题为“Transcriptome and metabolome analysis reveal key genes and metabolic pathway responses in Leersia hexandra Swartz under Cr and Ni co-stress”的研究论文，进一步阐明李氏禾暴露于铬和镍共同胁迫下的解毒和耐受的分子机制。
铬（Cr）和镍（Ni）广泛应用于电镀等行业，但受传统处理方法限制，含Cr和Ni的废水常常被排放到环境中造成土壤重金属污染。植物修复技术（Phytoremediation）因其绿色、经济、非破坏性而备受关注。超富集植物（Hyperaccumulator）是植物修复技术的核心载体。李氏禾（Leersia hexandra Swartz）是张学洪教授团队在我国境内首次发现的铬超富集植物。李氏禾生长迅速、繁殖速度快，对镍也具有很强的富集和耐受能力，因此在原位修复多金属污染土壤领域中具有极高的应用潜力。
不同的超富集植物可能对不同的金属离子具有独特的解毒耐受机制，包括排除、螯合、液泡分隔和抗氧化反应。因此，深入研究超富集植物在不同重金属胁迫下的解毒和耐受机制对重金属土壤修复具有重要意义。张学洪团队通过应用转录组学和代谢组学技术，深入探究李氏禾在Ni和Cr-Ni共同胁迫下的分子响应机制，揭示超富集植物对单一重金属和多金属解毒耐受机制之间的联系，为植物修复技术的应用提供了理论依据。
Physiological and biochemical responses of Leersia hexandra Swartz to nickel stress: Insights into antioxidant defense mechanisms and metal detoxification strategies
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133578
本研究通过霍格兰营养液水培实验，收获Ni处理组（40 mg/L）和对照组培养24 小时和14天的李氏禾鲜叶。基于转录组学和代谢组学技术分析揭示李氏禾可以改变其抗氧化酶系统，以应对不同时间阶段的镍胁迫，并利用更复杂的抗氧化防御策略来适应长期胁迫。研究对比了李氏禾在Ni胁迫早期和后期的响应基因，并分析了类黄酮代谢物和谷胱甘肽循环在解毒耐受过程中的重要作用。
与抗氧化防御系统相关的差异表达基因热图
根据NR和GO数据库中的注释，筛选出了与抗氧化防御系统相关的显著差异基因。在24小时镍处理组中，GSTF1、GSTU1、MDAR4和SODCC2明显上调；在14天镍处理组中，APX7、SODCP、SOD1和CATA明显上调，但EMB2360、GSTU1、GSTU6、GSH2、GPX6和MDAR2明显下调。
Ni（40 mg/kg）处理24 h（a）和14 d（b）李氏禾叶片中差异表达代谢物饼图
结果表明，24小时处理组的差异表达代谢物主要集中在类黄酮、黄酮和黄酮醇中。另一方面，在14天处理组中，差异表达代谢物主要集中在碳水化合物及其衍生物、氨基酸及其衍生物、有机酸及其衍生物（包括有机酸和三羧酸循环类）。
Transcriptome and metabolome analysis reveal key genes and metabolic pathway responses in Leersia hexandra Swartz under Cr and Ni co-stress
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134590
本研究通过霍格兰营养液水培实验，收获Cr-Ni处理组（Cr 5 mg/L + Ni 40 mg/L）和对照组培养12天的李氏禾鲜叶。基于转录组学和代谢组学技术分析揭示李氏禾通过过表达与金属转运和金属结合相关的基因减少重金属毒性，通过增强抗氧化酶活性和谷胱甘肽代谢增强活性氧的清除，并通过促进TCA循环提供能量从而提高对Cr和Ni的耐受性。
(A) Cr-Ni胁迫12天对李氏禾表型的影响。(B) Cr-Ni胁迫对李氏禾抗氧化酶活性和谷胱甘肽含量的影响
如图所示，Cr和Ni的共同胁迫导致李氏禾的叶片轻微毒性。与对照组相比，李氏禾叶片中的APX和SOD活性分别提高了58.97%和46.20%。Cr和Ni联合处理也显著提高了李氏禾叶片中的CAT活性（p < 0.01）和GSH含量（p< 0.05）。
与金属转运、金属结合和抗氧化酶活性相关的差异表达基因热图
基于NR数据库注释，筛选出34个与金属转运相关的差异表达基因。与对照组相比，ABCC10、NRAMP3、BZIP24、MTP7和HMA9的表达显著上调，ABCG48、ABCB19和ABCG15的表达显著下调。鉴定出27个与抗氧化活性和金属结合相关的差异表达基因，其中包括20个与谷胱甘肽循环相关的基因。这些结果表明，李氏禾中与金属转运、金属结合和抗氧化酶活性相关的特定基因在重金属耐受和解毒过程中起着关键作用。
编码三羧酸（TCA）循环过程关键酶的基因热图
三羧酸（TCA）循环是分解碳水化合物、脂肪和蛋白质并释放能量的关键代谢途径。研究发现，编码柠檬酸合酶、顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶等参与TCA循环的关键酶的基因在Cr和Ni共同处理下显著上调，这表明TCA循环在李氏禾中被激活，为其细胞提供抵抗重金属胁迫所需的能量。
在本系列研究中，丰富了超富集植物李氏禾对单一重金属和多金属分子层面的解毒耐受机制，为后续通过基因编辑或过表达手段提高李氏禾的重金属修复效率，促进单一或复合污染植物修复技术工程化应用具有十分重要的意义。
以上研究得到了国家自然科学基金委、广西科技厅和广西环境污染控制理论与技术重点实验室的资助。
