河南农业大学殷冬梅团队解析褪黑素信号通路介导的花生耐镉新机制
河南农业大学殷冬梅团队解析褪黑素信号通路介导的花生耐镉新机制
近日，河南农业大学殷冬梅教授团队在国际知名期刊Journal of Pineal Research（中科院一区，五年影响因子10.2）发表题为“Multi‐Omics Analysis Reveals That AhNHL Contributes to Melatonin‐Mediated Cadmium Tolerance in Peanut Plants”的研究论文，解析了内源褪黑素信号通路介导的花生耐镉新机制。
花生（Arachis hypogaea L.）是一种重要的油料和粮食作物，在全球 100 多个国家均有种植。然而，随着工业化活动的不断加剧，环境受到污染，尤其是有害重金属的污染，严重阻碍了优质花生产品的生产。植物细胞壁主要由纤维素、果胶和木质素组成，是镉离子进入的第一道屏障。木质素能够直接与包括镉离子在内的重金属离子结合，从而减少外部镉离子进入细胞质的危险。由于镉离子的积累，会产生过量的活性氧，这会导致细胞内氧化还原平衡的破坏、细胞结构不完整以及植物细胞形态异常。为了消除活性氧诱导的氧化损伤，植物抗氧化酶及不饱和脂肪酸（如油酸、亚麻酸和花生四烯酸）、黄酮类/异黄酮类、酚类化合物（如白藜芦醇）和谷胱甘肽，对镉的解毒也有重要作用。谷胱甘肽可与镉离子螯合，并转运至液泡。研究表明，细胞壁的修饰和金属转运蛋白是影响花生植物对镉离子吸收和转运的主要因素。重金属胁迫会触发防御机制，通过迅速积累包括活性氧（ROS）、植物激素、一氧化氮和褪黑素（Melatonin，MT）在内的信号分子来减轻植物毒性。尽管过量的活性氧会造成氧化损伤，但适量的活性氧在植物的应激反应中起着警报分子的作用。褪黑素的应用主要通过增强抗氧化系统的活性、调节硫代谢和多胺水平以及促进植物络合素（PCs）的生物合成来增强对重金属胁迫的耐受性。然而，花生中镉耐受性的分子信号通路仍不清楚。
Cd 促进花生褪黑素合成
在该研究前期研究中，筛选到一个耐镉胁迫花生品种农大花108（H108）。本研究通过多组学分析和生理学研究技术，发现包括褪黑素（MT）生物合成在内的多个生物过程参与了花生植株对镉的耐受。在镉胁迫下，将外源褪黑素应用于花生植株，可使根、茎和种子中的镉积累减少40%-60%，并提高抗氧化能力。综合研究发现，褪黑素介导的镉耐受主要归因于亚麻酸，谷胱甘肽（GSH）和苯丙素（木质素）代谢的增强，以及根细胞壁中凯氏带的发育。花生中的防御基因，如花生中NDR1/HIN1基因（AhNHL），在镉胁迫下也显著上调。在烟草中过表达 AhNHL 基因可使镉积累减少 37%-46%，并减轻镉胁迫引起的光合作用抑制。转录组分析表明，AhNHL 主要通过促进苯丙素生物合成和谷胱甘肽代谢来赋予花生对镉的耐受性。此外，外源性谷胱甘肽通过提高花生植株对镉的蓄积能力和抗氧化能力有效地缓解了镉胁迫，而应用谷胱甘肽生物合成抑制剂（半胱氨酰硫代乙酰胺）则加剧了镉的植物毒性。转录组分析揭示，外源性谷胱甘肽通过影响参与转录调控、金属离子结合和转运的基因的表达来提高镉耐受性。研究结果为植物对镉耐受性的分子机制提供了新的见解，这将有助于低镉花生品种的培育。
褪黑素介导的Cd耐受性机制
河南农业大学农学院青年教师任锐为该文第一作者，殷冬梅教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金联合重点项目、河南省重点科技攻关等项目的资助。
殷冬梅教授领衔的河南农业大学花生功能基因组创新团队，依托于河南省花生基因组与分子育种工程技术研究中心，主要从事花生基因组与功能基因挖掘，致力于揭示花生高产、优质、抗病和耐逆性状形成的机制与调控途径研究。围绕花生种业“卡脖子”等重要科学问题开展工作，已在Advanced Science、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等国际著名期刊上发表了120余篇学术性文章，取得多项原创性研究成果。