《Journal of Hazardous Materials》：Functional divergence of MdMYB123 and its truncated variant modulates Cd uptake and detoxification in apple
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Cd污染对苹果生长的影响及转录因子MdMYB123的功能机制研究。MdMYB123过表达增强Cd抗性，降低MDA和ROS水平，激活抗氧化酶；mdmyb123突变体则加剧Cd毒害。研究揭示MdMYB123通过激活MdALMT1和MdtDT促进Cd vacuolar sequestration和减少吸收，酵母及拟南芥验证其功能。
郑立通|袁洋洋|齐迅|王嘉瑞|宋书杰|沙光亚|赵海燕|魏晓宇|朱凌城|马凤旺|李明军|马百全
干旱地区作物逆境生物学国家重点实验室/西北农林科技大学园艺学院苹果重点实验室，中国陕西省杨陵市712100
摘要
镉（Cd）是一种全球分布的环境污染物，会在农业土壤中积累，威胁作物产量和食品安全。在本研究中，我们探讨了苹果转录因子MdMYB123及其截短变体mdmyb123在镉耐受性中的作用。镉暴露显著诱导了这两种基因的表达。在过表达苹果品系中的功能分析显示了相反的作用：MdMYB123过表达（OE）增强了镉耐受性，而mdmyb123过表达则增加了镉敏感性。与野生型相比，MdMYB123过表达植株积累的镉较少，丙二醛（MDA）和活性氧（ROS）水平较低，并且抗氧化酶（SOD、POD和CAT）的活性更强。相反，mdmyb123过表达品系表现出更高的镉积累、增加的氧化应激和降低的抗氧化活性。转录组分析确定了MdALMT1和MdtDT作为下游靶标。酵母单杂交、GUS/LUC报告基因和ChIP-qPCR实验证实MdMYB123和mdmyb123都能结合MdALMT1和MdtDT启动子中的CAACTG基序，但只有MdMYB123能够激活它们的转录。在酵母和拟南芥中的功能验证表明，过表达MdALMT1和MdtDT可以增强镉耐受性。总体而言，我们的发现表明MdMYB123通过激活参与液泡隔离和限制镉吸收的基因来提高镉耐受性，这为其用于培育或工程化镉安全苹果品种提供了潜在价值。
引言
镉（Cd）是最危险的重金属污染物之一，主要通过人类活动（如采矿、化工生产和其他工业过程）进入环境[1]、[2]、[3]。它容易在农业土壤中积累，对环境构成重大威胁。由于其化学性质与铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）等必需元素相似，镉通过共同的金属转运蛋白进入植物[4]、[5]。根系吸收后，镉通过木质部运输到地上组织[6]，从而进入食物链，对人类健康造成严重风险，包括伊泰-伊泰病（Itai-Itai）等疾病[7]、[8]。在植物中，过量的镉会扰乱多种生理过程：限制养分吸收[9]、[10]，降低光合作用能力[11]、[12]，延缓发芽，并最终损害生长和降低产量。镉的毒性与其引起的氧化应激密切相关，因为它会促进活性氧（ROS）的积累，导致脂质过氧化、蛋白质损伤和膜结构破坏，同时还会影响叶绿体的超微结构和电子传递链[12]、[13]。此外，在细胞水平上，镉会抑制酶活性，诱导蛋白质变性，并阻碍核酸的合成和修复[14]、[15]。
为了减轻镉的毒性，植物进化出了一系列解毒机制。镉可以被隔离在液泡中[16]、[17]，被金属硫蛋白（MT）等分子螯合[18]，或者固定在细胞壁和根分泌物中[19]、[20]。特定的转运蛋白（如水稻根部的NRAMP5）对调控镉吸收至关重要[21]，而菌根关联可以限制镉向根部的转移。此外，抗氧化酶（如SOD、CAT、APX和GR）被激活以清除镉诱导的ROS[22]。
有机酸是植物生长、发育和应激反应所必需的初级代谢物，其生物合成和分布对环境压力非常敏感[23]。它们与养分吸收、解毒以及对生物和非生物胁迫的耐受性密切相关[23]。其中，苹果酸在减轻重金属毒性方面尤为重要，因为它能与金属离子形成复合物，促进其在液泡中的隔离[3]。例如，在Stylosanthes guianensis中，苹果酸的合成和分泌赋予了对锰（Mn）的耐受性，这一过程由SgMDH1调控[24]。虽然已经证明了苹果酸在锰解毒中的作用，但其在镉（Cd）解毒中的功能及其在不同植物物种中的调控机制仍需进一步阐明。
液泡运输对于有机酸的区室化至关重要。液泡二羧酸转运蛋白（tDT）通过促进苹果酸向液泡的转移来促进这一过程[25]、[26]。在拟南芥、番茄和苹果等物种中，tDT已被证明显著影响苹果酸的积累和分布[27]、[28]、[29]。除了有机酸的分配外，tDT还参与细胞质pH值的稳态调节，其突变体通常表现出光合作用受损[26]。此外，桃子中的PpTDT通过介导苹果酸依赖性的螯合作用赋予锰（Mn）耐受性，这表明tDT在重金属解毒中可能发挥作用[30]。然而，tDT在镉（Cd）解毒中的功能尚不清楚。
铝激活的苹果酸转运蛋白（ALMT）家族参与多种生理过程，包括金属耐受性[21]、气孔运动、阴离子稳态、种子发育和果实品质控制[31]。ALMT蛋白可渗透多种阴离子，如Cl?、SO42?和NO3?[32]。不同成员具有专门的功能：在拟南芥中，AtALMT9作为苹果酸激活的Cl?通道，调节气孔开闭；而在苹果、番茄、猕猴桃和桃子中的同源蛋白（MdALMT9、SlALMT9、AcALMT1和PpALMT9）主要与有机酸积累相关[33]、[34]、[35]、[36]。值得注意的是，在茶树中，CsALMT6可以减少氟化物的积累，从而提高细胞耐受性[34]。
MYB转录因子在植物中构成一个庞大的家族，参与多种生物过程，包括发育、次级代谢和对环境胁迫的反应[37]、[38]、[24]、[39]。新证据表明，一些MYB蛋白也参与重金属响应。例如，MYB49通过调控bHLH38、bHLH101、HIPP22和HIPP44的表达来增强镉积累[40]，而MYB4通过激活PCS1和MT1C来增强镉耐受性[41]。在拟南芥中，镉胁迫会触发MYC2的降解，从而解除其对镉转运蛋白HMA2和HMA4的抑制，从而提高耐受性[42]。
在苹果中，先前的研究在MdMYB123的最后一个外显子中发现了一个A/T SNP，导致MdMYB123在C末端出现提前终止密码子，产生一个截短的蛋白质变体mdmyb123[43]。在本研究中，我们证明MdMYB123在苹果中的过表达增强了镉耐受性，而mdmyb123的过表达则降低了耐受性。我们进一步确定了MdALMT1和MdtDT作为下游靶标，并发现这两种转录因子变体都能结合它们的启动子中的CAACTG基序。然而，只有全长MdMYB123蛋白能够激活它们的转录。与此一致，在转基因酵母和拟南芥中过表达MdALMT1和MdtDT增强了镉耐受性。我们的发现表明，MdMYB123及其截短变体mdmyb123竞争启动子结合位点，导致不同的转录结果和不同的镉耐受性。这项研究为植物中重金属解毒的调控提供了新的分子见解。
植物材料及镉处理
本研究中使用的过表达MdMYB123和mdmyb123的转基因苹果（Malus domestica）品系是在我们之前的工作中生成和表征的[43]。实验中使用的苹果幼苗为‘GL3’。在生根培养基上培养30天后，根系发达的野生型（WT）和过表达（OE）苹果幼苗被移植到装有基质、珍珠岩和蛭石（比例为4:1:1，v/v/v）的小塑料盆中。再培养30天后……
MdMYB123增强苹果的镉耐受性，而mdmyb123则降低其耐受性
镉对植物具有毒性作用。在本研究中，镉处理显著抑制了苹果植物的生长（图1A）。为了探究MdMYB123/mdmyb123在镉胁迫下的可能作用，我们首先分析了它们在镉处理前后的表达模式。Cd暴露显著诱导了MdMYB123和mdmyb123的转录水平（图1B）。在镉胁迫下，MdMYB123过表达（OE）品系与……之间存在明显的表型差异
讨论
农业土壤中的镉（Cd）污染通过抑制植物生长和生产力对全球粮食安全构成重大威胁[48]。镉是一种高毒性的重金属，主要通过根部进入植物并在各种植物组织（包括根、茎和叶）中积累[49]。进入植物后，镉通过产生活性氧（ROS）引发氧化应激，这些活性氧会损害细胞膜、蛋白质和核酸，导致……
环境影响
镉（Cd）是一种广泛存在于农业土壤中的有毒重金属，容易被作物吸收，从而进入食物链并威胁人类健康。本研究揭示了MdMYB123通过激活MdALMT1和MdtDT的表达来增强苹果的镉耐受性，从而减少从土壤中吸收镉并促进其在液泡中的隔离，而其截短变体mdmyb123则产生相反的效果。这些发现为镉的解毒机制提供了分子层面的见解
CRediT作者贡献声明
郑立通：撰写——原始草稿、研究、数据管理。宋书杰：研究、数据管理。王嘉瑞：研究、数据管理。齐迅：研究、数据管理。袁洋洋：研究、数据管理。朱凌城：撰写——审稿与编辑。魏晓宇：撰写——审稿与编辑。赵海燕：撰写——审稿与编辑。沙光亚：研究、数据管理。马百全：撰写——审稿与编辑、资金获取、数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD2301000）、西北农林科技大学博士生自主创新研究项目资助（2025KYCXZ03）和中国博士后科学基金（2025T181026）的支持。
附录A. 补充材料
补充图S1. 经镉处理的野生型、MdMYB123-OE和mdmyb123-oe苹果幼苗。
补充图S2. 通过DAB和NBT染色显示的经镉处理叶片中H2O2和超氧阴离子（O2-的积累。
