整合转录组学和代谢组学分析揭示了紫花苜蓿（Medicago sativa）应对镉胁迫的机制

《Plant Science》：Integrative transcriptomic and metabolomic analysis reveals the mechanism of alfalfa (Medicago sativa) to cadmium stress

　　

韩梦丽|徐楠|潘敏|赵晨

中国教育部农业与农产品安全联合国际研究实验室，扬州大学，中国扬州225009

摘要

镉（Cd）污染对作物生产力和生态安全构成威胁。为了了解紫花苜蓿（Medicago sativa）对镉的耐受机制，我们采用了生理学、转录组学和代谢组学分析方法。随着镉浓度的增加，植物生长受到显著抑制，表现为株高、叶面积和生物量的减少，同时镉在根部和细胞壁中的积累增加。严重的镉胁迫会降低光合色素和光合效率，导致超微结构损伤，并产生活性氧。抗氧化酶的反应各不相同：过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（APX）的活性持续增加，而超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）则表现出不同的变化模式。我们在中等镉胁迫条件下进行了转录组学和代谢组学分析。利用Medicago sativa和M. truncatula的参考基因组，转录组分析分别鉴定出16,888个和4,768个差异表达基因，这些基因主要参与光合作用、碳代谢、激素信号传导和氧化还原调节。代谢组学分析发现3,359种差异积累的代谢物，表明植物代谢向次生代谢方向转变，尤其是黄酮类和苯丙素类化合物。综合分析表明，半乳糖代谢在光合作用、抗氧化防御和镉积累之间起着关键作用。总体而言，紫花苜蓿通过抑制光合作用、激活抗氧化途径和重新定向代谢来应对镉毒性。

引言

镉（Cd）是一种有毒的重金属，被认为是危害最大且最普遍的环境污染物之一（Khan等人，2022年）。土壤和水中的镉浓度可高达5 μg L^-1，超过了世界卫生组织推荐的3 μg L^-1的最大限值（Kubier等人，2019年）。镉污染的主要来源包括采矿活动、火山爆发和人为排放，这些都对植物生产构成严重威胁（Briffa等人，2020年）。由于镉具有高溶解度，并且与铁、锌和铜等必需元素在化学性质上相似（这些元素在氧化还原反应和蛋白质结构中起重要作用，Palmer和Guerinot，2009年），因此植物可以通过根部轻易吸收镉，随后将其转运到地上部分（Huang等人，2020年）。镉通过与蛋白质中的巯基结合并取代活性位点上的必需金属离子来干扰酶活性，从而损害关键生物反应（Fatima等人，2025年）。此外，镉还会破坏植物的抗氧化防御系统，导致活性氧（ROS）过量产生，最终引发氧化应激（Branca等人，2020年）。镉还会引起膜脂质过氧化，进而加剧水分胁迫（Singh等人，2006年）。镉还会影响光合色素（叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和类胡萝卜素（Car）的合成，从而破坏植物的光合作用过程（Geng等人，2025年）。这些因素共同导致植物生长受到抑制。

为了应对镉胁迫，植物发展出了复杂的适应机制。植物的根部是抵御镉胁迫的第一道物理屏障，它通过形成保护组织（根毛、角质层和表皮）、分泌有机酸来螯合镉，并调节根际pH值和氧化还原平衡（Etesami和Glick，2023年）。如果这一初级屏障被突破，植物会利用自螯合作用作为关键防御机制，将镉与植酸螯合素、金属硫蛋白和谷胱甘肽等分子结合，形成无毒的镉复合物（Leng等人，2020年）。为了减轻镉的毒性，植物最初利用细胞壁多糖和蛋白质来结合镉并限制其进入细胞，一旦进入细胞内部，会通过区室化作用将镉隔离到代谢活动较低的部位（如液泡）进行安全储存（Wei等人，2021年）。植物的抗氧化防御系统包括多种酶（Farooq等人，2016年）和非酶类抗氧化剂（Kaya等人，2021年）以及渗透保护物质（Zheng等人，2023年），在缓解镉引起的氧化应激和水分胁迫中起着重要作用。

在分子水平上，多种跨膜转运蛋白家族（如NRAMPs（Yang等人，2023年）、IRTs（Soviguidi等人，2025年）、ZIPs（Han等人，2020年）、HMAs（Khan等人，2024年）和MTPs（Zhao等人，2024年）参与镉的吸收、转运和区室化。它们的协同作用决定了镉在细胞内的分布。此外，在多种物种中发现了与镉耐受性相关的功能基因，例如大麦中的HvVPE3（Chen等人，2023年）、大肠杆菌中的NtMT2F（Li等人，2023年）以及杨树（Populus × canescens）中的170个< />转录因子（Yao等人，2024年），这些基因调控转运活性或解毒途径。在细胞水平上，镉胁迫会导致氧化损伤和结构破坏。过量的镉会损害线粒体和叶绿体的功能，引发ROS爆发、膜脂质过氧化、细胞器损伤和程序性细胞死亡（PCD）（Sandbichler和H?ckner，2016年）。作为响应，植物会激活抗氧化酶系统和非酶类抗氧化剂以维持细胞稳态（Yan等人，2023年）。在代谢水平上，镉胁迫会触发全局代谢重编程。综合转录组学和代谢组学分析揭示了不同物种中的关键代谢途径，例如Pistia stratiotes中的谷胱甘肽代谢和木质素生物合成（Zhao等人，2023年）、Tamarix hispida中的亚油酸代谢（Xie等人，2023年）以及Morus alba中的植物激素信号转导（Guo等人，2021年）。这些途径通过促进螯合作用、区室化和次生代谢物的合成来增强植物对镉的适应能力。

紫花苜蓿（Medicago sativa）是一种广泛种植的多年生豆科饲料作物，全球种植面积超过3000万公顷（Appiah等人，2024年）。它因其适应性、土壤保护作用和高质量蛋白质而受到重视，并且能够吸收和积累镉（Song等人，2025年）。然而，研究表明，镉暴露会导致紫花苜蓿中镉积累增加、抗氧化酶活性降低、渗透压水平下降（Kabir等人，2016年）、光合色素和光合速率减少（Hattab等人，2014年），最终影响生长和生物量生产。最近的研究表明，γ-氨基丁酸的合成可能在通过优化能量分配、增强抗氧化酶活性和促进渗透压积累来减轻镉毒性方面起关键作用（Qin等人，2025年）。尽管如此，紫花苜蓿对镉胁迫的分子调控机制仍大部分尚未被探索（Chen等人，2025年）。在这项研究中，我们提出假设：低浓度的镉可能会触发植物的解毒策略，可能降低光合作用活性，同时增强镉的隔离途径和代谢物的积累以减轻ROS的影响。尽管这种防御策略存在局限性，但暴露于镉的紫花苜蓿仍表现出镉和ROS的积累、抗氧化系统的损伤以及细胞结构的破坏、光合作用受限，从而导致生长减缓。本研究的目的在于（1）阐明紫花苜蓿对镉胁迫的形态学、生理学和分子响应；（2）通过转录组学和代谢组学分析揭示镉诱导的紫花苜蓿响应的潜在机制。这项研究有望加深我们对紫花苜蓿应对镉胁迫的分子机制的理解。

章节摘录

实验材料与设计

将“Zhongmu No.1”品种的紫花苜蓿种子用5%次氯酸钠溶液表面消毒15分钟，然后用蒸馏水冲洗5次。消毒后的种子置于培养皿中，在受控条件下（20°C，光照16小时/黑暗8小时）进行发芽，直到主根长度达到4-5厘米。然后将幼苗转移到含有1/6浓度Hoagland营养液的水培箱中。水培箱为圆形塑料容器（20厘米

镉胁迫抑制植物生长并促进镉积累

为了评估镉胁迫对紫花苜蓿生长和镉积累的影响，对植物进行了不同浓度镉的处理，并测量了多种生长参数以及不同亚细胞组分和器官中的镉含量。Cd0处理组和镉处理组之间的根长（RL）没有显著差异（图1b）。相比之下，株高（SH）、鲜重（FW）、叶长（LL）和叶面积（LA）在镉处理组中显著降低（图

镉胁迫通过细胞损伤抑制紫花苜蓿生长并阻碍光合作用

我们的研究表明，与地上部分相比，根部镉的积累量显著更高（图1）。这种现象可以归因于根部作为镉的主要吸收部位，以及镉通过木质部向地上部分的运输受到限制，这种机制有助于保护光合作用活跃的组织（Greger等人，2016年）。镉优先在细胞壁和细胞器中积累（图1），表明植物采用了一种保护策略来限制镉的扩散

结论

本研究表明，镉胁迫通过抑制光合作用和损害细胞完整性显著抑制紫花苜蓿的生长，同时诱导了抗氧化系统的激活、渗透保护物质的积累、应激相关信号传导和金属转运增强等防御机制。通过在中等镉胁迫（Cd20）条件下的综合转录组学和代谢组学分析，发现光合作用、氧化还原调节和半乳糖代谢是镉胁迫的主要靶标

资助

本研究得到了江苏省高等教育机构自然科学基金（23KJB230007）、国家自然科学基金（32301475）以及扬州市“ LvYangJinFeng”人才项目（YZLYJFJH2022YBS172）的支持。

CRediT作者贡献声明

赵晨：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、概念构建。徐楠：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、正式分析、数据管理。潘敏：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、正式分析、数据管理。韩梦丽：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、监督、正式分析、数据管理、概念构建。

所有作者都参与了研究的构思和设计。材料准备、数据收集与分析工作由潘敏、徐楠、韩梦丽和赵晨完成。手稿的第一稿由徐楠和韩梦丽撰写，所有作者都对草稿的各个版本进行了评论。所有作者都阅读并批准了最终版本的手稿。

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。

相关新闻