在砷暴露条件下，对经过预处理的稻米适应性行为进行的以铁为中心的改造

《Rhizosphere》：Iron-centric remodelling of adaptive behaviour of primed rice under arsenic exposure

　　

普里扬卡·巴蒂亚（Priyanka Bhatia）|梅达·潘特里（Medha Panthri）|纳尔吉斯·萨巴·卡顿（Narjis Saba Khatoon）|米图·古普塔（Meetu Gupta）

印度新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学（Jamia Millia Islamia）生物技术系生态毒理基因组学实验室，邮编110025

摘要

根际是一个关键的界面，在这里砷（As）污染和铁（Fe）相互交织，共同形成了影响植物防御机制的应力网络。通过轻微的胁迫处理对幼苗进行预处理可以增强其对这种不平衡的耐受性，但迄今为止，关于砷-铁相互作用与预处理之间的关系的研究还较为不足，这留下了一个未解之谜：即预处理诱导的应力记忆是如何与养分-毒素动态相协调的。我们的研究发现，在砷胁迫下，根际中负责铁吸收的植物铁载体（phytosiderophores）的释放量达到峰值，而经过预处理并补充了铁的幼苗能够维持足够的铁水平，因此其铁载体分泌量较低。调控铁载体生物合成、运输和信号传导的基因在砷暴露条件下表现出上调现象。根系分泌物（如黄酮类、酚类、糖类和蛋白质）在砷单独暴露和砷-铁共同暴露条件下有不同的分泌模式。铁可用性的调节也促进了根系自由基氧和总有机碳的释放。经过预处理并补充铁的幼苗中有机酸（丙酮酸、草酸、琥珀酸）的合成增强，表明它们在减轻砷毒性方面发挥了重要作用。即使在没有砷的情况下，经过预处理的幼苗也比对照组表现出更强的苯丙烷类代谢途径（PAL、CHI、C4H、4CL、DFR、TAL）和抗氧化防御系统（CAT、SOD、POD、GPX、NOX、LOX）活性，这归因于它们获得的耐受性。这种生化预处理与差异化的铁代谢酶活性（FCR、aconitase）相结合，形成了一个协调的防御机制，从而减少了氧化应激（OH^?、O₂^?、NO）。与铁载体驱动的铁平衡一致，SAMS和TOM基因在生物合成基因中的相关性最高，这表明它们是抗砷富铁水稻的可靠指标。总体而言，本研究揭示了预处理通过增强铁载体驱动的铁动态，整合了根际环境中的氧化还原和分泌物网络。

引言

根际是一个高度动态的界面，在这里有毒物质和养分的共存决定了植物的整体防御反应（Liu和Li，2022）。通常情况下，植物的防御系统主要依赖于先天免疫。然而，在土壤砷污染等条件下，由于幼苗从发芽开始就面临胁迫，这种先天免疫反应往往过于迟缓（Ngou等人，2022）。等到防御机制被激活时，可能已经发生了不可逆的生理损伤。为了克服这些限制，对幼苗进行预处理或预先处理成为了一种有前景的方法。预处理涉及用可控或轻微的胁迫处理植物，以预先激活其防御机制，从而提高它们在随后遇到严重胁迫时产生更强、更快反应的能力（Bhatia等人，2024）。这种预先准备状态包括与防御相关的基因、代谢物和信号分子的适应，这一过程受到根际养分-毒素动态的严格调控（Liu等人，2022）。

在多种土壤毒素中，稻田中的砷污染是一个普遍存在的问题，它与根际环境中铁（Fe）的地球化学循环密切相关（Wang等人，2024）。砷的形态变化显著影响根际中铁的可用性。在厌氧条件下，砷的迁移会促进铁氧化物的溶解，释放出Fe²⁺，但同时干扰其运输和吸收，导致功能性铁缺乏（Panthri和Gupta，2022）。相反，在有氧条件下，砷的固定伴随着铁沉淀为不溶性形式，进一步减少了铁的生物可用性。因此，砷引起的氧化还原变化不断破坏铁的稳态和形态，使水稻幼苗面临铁缺乏和氧化应激（Panthri和Gupta，2022）。在这种情况下，铁的补充在调节植物对砷胁迫的反应中起着双重作用：适量的铁可以促进根表面铁斑的形成并增强抗氧化防御，而过量的铁则可能通过芬顿反应（Fenton reactions）引发氧化损伤（Wang等人，2024）。因此，在含砷条件下维持理想的铁可用性对于保持铁的稳态、限制砷的吸收以及提高植物的整体耐受性至关重要。

正如我们之前的研究所证明的，经过预处理的幼苗的耐受途径得到了增强。其中，多营养素预处理的幼苗以及外源铁的添加可以通过重新编程能量代谢有效减轻砷的毒性（Bhatia等人，2024）。特别是，这种预处理不仅保护了三羧酸（TCA）循环中的关键酶免受砷的抑制，还激活了γ-氨基丁酸（GABA）代谢途径，以满足幼苗在胁迫下的能量需求。这种能量稳态的改变提高了与呼吸作用相关的初级代谢，包括光合作用效率、糖-淀粉转化以及氮和磷的吸收，从而在砷胁迫条件下维持了植物的耐受性和生长（Bhatia等人，2024）。然而，除了这些初级代谢适应外，越来越多的证据表明，根系分泌模式的优化以及次级代谢也在限制砷吸收和增强植物韧性方面发挥着关键作用（Sun等人，2024）。在多种根际分泌物中，酚类、黄酮类、脯氨酸和糖类等化合物通过固定或螯合有毒金属、净化根际环境以及调节氧化还原平衡，显著发挥了作用，从而提供了另一道对抗砷毒性的防线（Qadir等人，2024）。此外，植物铁载体的分泌也被证实是缓解类金属毒性的关键防御机制（Panthri等人，2024）。植物对铁缺乏的感知通常是它们识别类金属毒性的早期信号，从而引发铁缺乏反应。这种适应性行为包括增加铁载体的产生和释放，这不仅促进了在限制条件下的铁封存，还作为信号分子，将铁的调节与植物免疫稳态联系起来——表明铁载体诱导的铁免疫调节的潜力（Nú?ez-Cano等人，2025）。在水稻中，根部的径向氧损失（ROL）通过在根际形成局部氧化区域来进一步支持这一机制，从而调节砷的形态并促进铁斑的形成，共同限制了砷的吸收和移动性（Huang等人，2024）。与铁载体活性相辅相成，次级代谢在植物对抗类金属毒性的适应性防御中也起着核心作用（Zhou等人，2023）。参与酚类、黄酮类和脂质衍生物合成的苯丙烷类代谢途径的调节是应激诱导的代谢重编程和植物防御的典型特征（Xin等人，2025）。然而，尽管这些过程已被认可，但砷-铁变化、根系分泌物动态和次级代谢之间的调控协调机制仍需进一步研究，尤其是在经过预处理的幼苗中。

基于我们之前的研究，该研究进一步探讨了根际砷-铁相互作用如何调节经过预处理的幼苗的根生理反应和防御变化。与之前主要关注能量稳态的研究不同，本研究表明，经过预处理的幼苗通过调节铁载体代谢、铁吸收机制（FCR活性）、根系分泌物和根部的径向氧损失（ROL）来优化铁的稳态，以应对砷毒性。为此，我们评估了与铁载体生物合成和铁代谢相关的关键基因的表达，以说明经过预处理的幼苗如何在砷暴露下优化铁的吸收并激活免疫反应。同时，我们也评估了下游的修复和防御过程，揭示了预处理和铁补充在砷胁迫下刺激的交叉耐受性的分子基础。

章节摘录

处理条件

来自印度新德里印度农业研究所的稻种子（Oryza sativa，IR64）首先用30%的乙醇进行表面消毒，然后彻底清洗。将种子浸泡在蒸馏水中24小时作为对照组。将种子浸泡在含有2 mM FeSO₄、3 mM H₄SiO₄、2 mM ZnSO₄和40 ppm抗坏血酸的水溶液中，这些种子被称为预处理组。浸泡处理后，用蒸馏水彻底清洗种子并在室温下干燥。

砷胁迫下经过预处理的稻米中铁补充对代谢物分泌模式的影响

与对照组相比，砷胁迫下酚类、黄酮类和糖类的分泌量分别增加了84%、106%和47%（图1）。PA和PAFe组在对抗砷方面表现出黄酮类和酚类的增强。两种代谢物的总体积累量顺序为：As < PAFe < PA < P < C。砷暴露导致幼苗的蛋白质和脯氨酸根系分泌量分别减少了56%和38%。而补充铁的幼苗则表现出...

讨论

经过预处理的植物保留了一种“应力记忆”，使它们在随后遇到不利条件时能够更快更有效地作出反应（Liu等人，2022）。我们之前的研究表明，单独进行预处理或结合铁补充可以调节中心能量产生途径并改善生长特性（Bhatia等人，2024），从而减轻砷的毒性。本研究进一步详细探讨了这一作用...

结论

当前研究的数据表明，预处理处理使15天大的稻苗能够通过协调和精确调节铁的稳态有效减轻砷的毒性。相关信息总结在图10中。铁作为一个关键调节节点，将植物铁载体的分泌、铁载体相关基因的表达以及铁的吸收与防御重编程和根系分泌物活动联系起来。观察结果表明，经过预处理的幼苗...

伦理批准

本手稿的工作符合所有研究发表所需的伦理标准。未进行任何动物实验。

参与同意

所有作者都参与了研究的开发和手稿的撰写。

发表同意

所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。

资助

本项工作得到了印度政府科学技术部、DST-Anusandhan 国家研究基金会的资助（资助编号：SPF_2023_000120）。

CRediT作者贡献声明

普里扬卡·巴蒂亚（Priyanka Bhatia）：概念构思、研究、撰写——初稿。梅达·潘特里（Medha Panthri）：方法学。纳尔吉斯·萨巴·卡顿（Narjis Saba Khatoon）：数据管理。米图·古普塔（Meetu Gupta）：资源提供、监督、数据可视化。

利益冲突声明

作者们没有需要披露的相关财务或非财务利益。

致谢

PB感谢印度新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学提供的UGC非NET奖学金。NS感谢CSIR提供的资深研究奖学金。MP感谢DBT提供的研究助理职位。MG感谢印度政府DST的ANRF-SERB奖学金。