转录组学和代谢组学分析揭示了Marchantia polymorpha在cadmium（镉）胁迫下性别依赖性的机制以及外源性谷胱甘肽的作用

《BMC Plant Biology》：Transcriptomic and metabolomic profiling to unravel sex-dependent mechanisms and the role of exogenous glutathione in Marchantia polymorpha under cadmium stress

　　

摘要

镉（Cd）污染对植物的健康和生态系统的稳定性构成了持续威胁，然而雌雄异株植物中性别依赖性镉耐受性的分子基础仍不清楚。在这项研究中，研究者利用雌雄异株的早期陆地植物Marchantia polymorpha来探究其在镉胁迫下的转录组学和代谢组学反应、生理与形态变化，以及外源谷胱甘肽（GSH）的修复作用。生理分析结果显示明显的性别差异：雌株积累的镉含量（82.97 ± 0.75 mg kg?1）显著高于雄株（61.80 ± 0.10 mg kg?1），并且遭受更严重的黄化和氧化损伤；而雄株的镉负担较低，并表现出更强的抗氧化酶活性，包括超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）。转录组分析发现，在镉胁迫下雌株有4,547个差异表达基因（DEGs），雄株有4,102个差异表达基因。GO和KEGG富集分析表明，雌株优先重新编程了与光合作用和防御相关的代谢途径，而雄株则激活了碳水化合物代谢和细胞壁重塑。代谢组学分析进一步揭示了性别差异导致的代谢通量变化：雌株积累了更多的木犀草素查尔酮（log?FC = 3.88），而雄株则通过F3’H途径特异性上调了槲皮素的生物合成。综合转录组学和代谢组学分析结果表明，黄酮类生物合成、酪氨酸代谢和GSH代谢是性别特异性镉响应的核心通路。外源GSH的应用以性别依赖的方式缓解了镉诱导的毒性：雄株的镉积累减少幅度（32.58%）大于雌株（8.36%），并且还原氧化平衡的恢复更为高效；同时，雌株在光合色素和黄酮类化合物的积累方面恢复得更好。本研究从分子层面阐明了早期陆地植物对重金属的性别依赖性适应机制，为基于性别的植物修复策略提供了理论依据。