有助于大豆耐镉的关键代谢和蛋白水解途径

大豆耐镉与感镉品种的生理代谢响应及耐受机制研究。通过水培系统比较20 μM Cd胁迫下耐性与感性品种的鲜 biomass、叶绿素含量及抗氧化酶活性差异，发现耐受品种具有更高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性及自噬/泛素-蛋白酶体系统（UPS）相关基因表达，而感性品种积累谷氨酰胺、天冬酰胺等氨基酸但代谢效率低下。转录组与代谢组学分析揭示耐受品种通过协同调控氨基酸代谢与UPS活性维持蛋白稳态，而感性品种依赖非效率氨基酸积累应对胁迫，二者机制差异为大豆耐镉育种提供理论依据。

　　

沙希德·阿里（Shahid Ali）|郝云亮（Hao Yun Liang）|穆罕默德·阿里·沙（Muhammad Ali Shah）|哈西卜·艾哈迈德（Haseeb Ahmad）|徐欣（Yuxin Chi）|卡希夫·汗（Kashif Khan）|周迅博（Xun Bo Zhou）

中国南宁广西大学农学院农业环境与农产品安全重点实验室

摘要

镉（Cd）胁迫是影响作物产量和食品安全的主要问题。本研究通过在水培条件下比较耐镉和敏感品种在20 μM镉暴露下的表现，评估了大豆的镉耐受性。与耐镉品种相比，敏感品种的新鲜生物量减少了18%，叶绿素含量下降了15%（P < 0.05）。在敏感品种中观察到过氧化氢（H?O?）和丙二醛（MDA）的水平升高，而耐镉品种则表现出不同的抗氧化酶活性显著增强。

转录组学和代谢组学分析表明，敏感品种在正常条件下增强了氨基酸的生物合成，但在镉胁迫下这种能力下降。相反，耐镉品种持续上调了蛋白酶体和自噬途径相关基因的表达，并保持了较高的基线水平，而敏感品种则表现出更大的胁迫诱导变化。代谢物分析进一步显示，敏感品种积累了更多的二肽、三肽和结合氨基酸，这与其在正常条件下的高叶绿素含量和光合速率直接相关。然而，这些肽的积累没有有效的代谢周转。耐镉品种通过增强的自噬和泛素-蛋白酶体系统（UPS）活性维持了蛋白质和氨基酸的稳态，这一点通过酶特异性ELISA、定量PCR（qPCR）和透射电子显微镜得到了验证。

总体而言，我们的结果揭示了应对镉胁迫的两种根本不同的策略：敏感品种积累了氨基酸但缺乏有效回收，而耐镉品种则通过有效的自噬和UPS活性维持了蛋白质稳态。这些发现为提高大豆的镉耐受性和蛋白质利用效率提供了潜在的分子靶点。

引言

大豆（Glycine max）是中国、日本及其他亚洲国家的重要作物，过去二十年来全球需求显著增加（Kumari等，2025年）。镉（Cd）是一种高毒性的重金属，对植物和动物的细胞活动是非必需的（Iddrisu等，2025年）。其在农业土壤中的积累主要源于工业化和各种人为活动（Wang等，2019年）。由于镉在土壤中的高流动性，它很容易通过植物吸收进入食物链。除了对人类健康的有害影响外，植物组织中镉水平的升高还会干扰发育过程、破坏光合作用、损害蛋白质，并干扰关键生理机制，最终降低作物产量和植物存活率（Younas等，2025年）。

不同植物物种对镉胁迫表现出多样的响应，通过调节其形态、功能动态和分子组成来适应（Kim Tiam等，2018年）。其后果包括水分和养分吸收及转运减少、酶功能紊乱、氧化应激以及代谢紊乱。镉胁迫会引发活性氧（ROS）的生成，导致植物细胞中的氧化损伤，破坏重要大分子并引发脂质过氧化（Berni等，2019年）。为了减轻这种伤害，植物组织激活了多种防御系统来消除ROS。包括非酶类和酶类化合物在内的多种抗氧化剂可以解毒活性氧分子，如过氧化氢和超氧阴离子（Mumtaz等，2025年）。抗氧化酶（如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）以及非酶类抗氧化剂（如抗坏血酸和谷胱甘肽）对于消除活性氧（ROS）和保护植物细胞免受氧化应激损伤至关重要（Lin等，2023年）。

镉还会通过与钙、镁和铁等重要离子的竞争扰乱大豆中的离子平衡，从而导致营养失衡，进一步影响植物的生长和功能（Liu等，2023年；Zhu等，2023年）。营养元素对植物发育至关重要，是许多功能性蛋白质的组成部分，如碳酸酐酶、醇脱氢酶、IB类P型ATP酶、锌-铁转运蛋白和丝裂原活化蛋白激酶。这些营养元素还参与重要的代谢活动，如蛋白质合成和降解以及基因表达（Singhal等，2023年；Tariq等，2023年）。此外，它们还有助于维持膜完整性和减轻氧化应激及过氧化损伤（Tewari等，2021年）。组织或生物体的矿物质营养和微量元素组成构成了细胞和生物体的无机成分（Salt等，2008年）。这些成分对植物生理至关重要，特别是维持细胞内的离子平衡，这对于植物应对胁迫是必要的（Guo等，2020年）。细胞内的离子平衡涉及多种离子，而不仅仅是少数几种。镉胁迫还会改变基因表达，从而影响植物细胞中特定氨基酸的水平。不同大豆品种对镉暴露的敏感性不同。当植物受到胁迫时，它们通常会产生更多的氨基酸，这可能有助于它们应对胁迫。植物通过氮代谢来应对重金属胁迫，尽管镉暴露使这一过程更加困难（Chaffei等，2004年）。植物会产生不同的低分子量化合物，尤其是游离氨基酸，这些化合物作为信号分子应对镉胁迫。这些氨基酸参与关键过程，如通过结合去除自由基、调节离子转运、去除重金属以及控制气孔的开闭（Sharma和Dietz，2006年；Xu等，2012年）。

胁迫下游离氨基酸谱的变化非常重要，因为这些分子不仅是蛋白质的构建块，也是含氮物质（如核酸）的组成部分（Rai，2002年）。镉胁迫还会降低光合作用活性，从而降低代谢能量，使植物更难吸收氮化合物和游离氨基酸（Zemanova等，2015年）。在胁迫下，氨基酸可能会影响酶的产生、氧化还原平衡和基因表达（Islam等，2009年）。许多研究表明，某些氨基酸在镉胁迫下会积累增加。例如，小麦、绿豆和大麦中的脯氨酸含量较高（Leskó和Simon-Sarkadi，2002年；Zhang等，2000年；Vassilev和Lidon，2011年）。然而，也有研究报道甲硫氨酸、赖氨酸和天冬酰胺的浓度增加（Costa和Morel，1994年）。镉胁迫还会提高番茄中谷氨酰胺、天冬酰胺和支链氨基酸（包括色氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和异亮氨酸）的浓度（Zoghlami等，2011年）。

同样，A. halleri在高镉浓度下会产生更多的天冬酰胺和组氨酸。N. caerulescens主要利用谷氨酸进行氮转运（Zemanova等，2013年；2014年）。镉胁迫导致两种Noccaea物种中的色氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸浓度升高，而甘氨酸和丙氨酸浓度降低（Zemanová等，2017年）。这些数据表明，植物对镉胁迫的氨基酸响应存在显著差异，受物种、遗传背景和植物组织的影响，从而突显了其在植物胁迫适应中的复杂和动态作用。

在这项研究中，使用了耐镉和敏感大豆品种来探讨它们在不同镉浓度下的特异性响应。在镉胁迫下观察到明显的形态差异。元素分析显示，两种品种在镉的吸收和转运方面存在显著差异，这些差异对植物发育和胁迫适应至关重要。进行了转录组学和代谢组学分析，以研究植物对镉暴露的分子和生化响应。在正常和胁迫条件下，不同品种的氨基酸谱存在显著差异。转录组数据根据氨基酸的生物合成途径和前体底物对氨基酸进行了分类，突出了特定生物合成途径的胁迫诱导变化。代谢组学数据进一步将氨基酸分为单氨基酸、双氨基酸、三氨基酸和寡氨基酸及其修饰形式和典型形式，从而更清晰地解释了它们的功能作用。这种综合多组学方法表明，大豆通过协调的形态、生理和生化调整来缓解镉的毒性。

植物材料与生长条件

最初筛选了20个大豆品种的镉耐受性，选出了一个耐镉品种和一个敏感品种进行进一步分析。这20个品种的完整数据集用于另一篇多变量分析论文中。种子来自中国哈尔滨的东北林业大学和东北农业大学。播种前，种子进行了表面灭菌并在泥炭藓土壤中发芽。发芽后，将幼苗移栽到...

植物对镉胁迫的形态和生理响应

两种大豆品种（耐镉和敏感品种）在20 μM镉胁迫下表现出不同的形态和生理响应。在胁迫下，茎和根的长度均显著缩短，其中敏感品种的缩短程度更大（分别为40%和21%），而耐镉品种分别为27%和20%。在正常条件下，两种品种之间没有观察到显著的形态差异。茎和根的新鲜重量也减少了更多...

抗氧化防御与镉胁迫下的氧化还原失衡

镉暴露显著抑制了耐镉和敏感大豆品种的生长和生理表现，表现为植株高度、生物量、光合作用活性和蒸腾速率的降低（图1）。先前的研究也报道了类似的抑制效应（Liu等，2018年；Liu等，2023年）。这些结果表明，镉胁迫会引起氧化损伤，破坏光合作用机制并扰乱细胞稳态。

结论

据我们所知，这是首次结合转录组学和代谢组学分析，揭示耐镉和敏感大豆品种在镉胁迫下氨基酸代谢与自噬和蛋白酶体途径的协调调控。我们的发现表明，对镉胁迫的响应是由一系列相互关联的机制共同控制的，而不仅仅是一个单一途径。在正常条件下，敏感品种表现出更高的叶绿素含量和光合作用...

未来展望

为了培育更具抗逆性的作物，了解植物如何整合其分子和代谢响应以应对环境胁迫至关重要。本研究强调了大豆通过严格调控的氨基酸代谢、自噬和蛋白酶体活性来管理镉暴露。然而，仍有许多重要问题尚未得到解答。未来的研究应重点验证这些途径中涉及的关键基因的功能，使用突变体和过表达系在模式植物和作物中进行研究...

未引用的参考文献

(Liu等，2023年；Wu等，2013年；Wen等，2023年；Mahmood等，2024年；Zhang等，2023年；Sharma和Dietz，2006年；Zemanová等，2016年；Narayan等，2023年；Rai等，2021年；Chaudhary等，2008年；Tiwari等，2002年；Shamsi等，2010年；Yruela，2005年；Rout和Sahoo，2015年；Lin和Aarts，2012年；Zeeshan等，2024年；H?nsch和Mendel，2009年；Saito和Uozumi，2020年；Arinzechi等，2024年；G?owacka等，2023年；Sharma等，2023年；Zhang等，2019年；Jia等，2025年；Chen等，2025年)

资助

本研究得到了广西大学博士后基金的财政支持。

CRediT作者贡献声明

周迅博（Xun Bo Zhou）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目实施、资金获取、概念构思。沙希德·阿里（Shahid Ali）：撰写 – 初稿撰写、可视化、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。郝云亮（Hao Yun Liang）：可视化、验证、资源管理、数据整理。穆罕默德·阿里·沙（Muhammad Ali Shah）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。哈西卜·艾哈迈德（Haseeb Ahmad）：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、实验研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广西大学博士后项目的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。