近日，上海交通大学农业与生物学院周培教授团队在生态环境领域国际著名期刊Journal of Hazardous Materials（中科院一区 Top）在线发表了题为Comparative cytology combined with transcriptomic and metabolomic analyses of Solanum nigrum L. in response to Cd toxicity 的研究论文。研究利用植物细胞学、转录组学和代谢组学方法分析超富集植物龙葵对短期不同浓度镉（Cd）胁迫的响应变化，探讨了龙葵对Cd胁迫的应对机制。该研究结果为Cd胁迫相关的转录调控提供新视野，从而为生态环境中重金属污染植物修复技术应用提供了重要借鉴。

土壤Cd污染是一个严重的全球性生态环境问题，中国、日本、欧美等国家的耕地都存在不同程度的Cd污染现象。土壤Cd污染植物修复技术因具有环境友好、成本低廉、操作简便、视觉美观等优点被公众所关注，而超富集植物龙葵常被用于Cd污染土壤修复。课题组前期研究发现Cd胁迫下龙葵通过调节体内抗氧化酶活、细胞壁多糖组分、Cd的亚细胞分布及赋存化学形态来抵御Cd毒害（https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.109997； https://doi.org/10.1007/s11356-020-11505-5）。然而，龙葵对Cd的高耐受性及解毒分子机制尚不清晰。因此，需要结合多组学技术研究龙葵对Cd胁迫的应答机制。

该论文研究采用水培试验对龙葵进行不同浓度Cd胁迫处理，重点研究了Cd胁迫下，龙葵各器官（根、茎、叶）细胞超微结构变化，并对根组织进行转录组学与代谢组学联合分析。通过透射电镜（TEM）发现，Cd胁迫严重破坏了龙葵各器官细胞超微结构，且受损程度与Cd胁迫浓度呈浓度-剂量效应。此外，龙葵各器官细胞采取增厚细胞壁、将胞内Cd2+转运至液泡等方式进行解毒。

图1. Cd胁迫下龙葵根尖细胞超微结构变化

注：A, B 对照组; C, D 25 μM Cd处理组; E, F 50 μM Cd 处理组; G, H 75 μM Cd 处理组; I, J 100 μM Cd 处理组.

缩写词: CW 细胞壁; PM 质膜; V 液泡; M 线粒体; NM 核膜; N 细胞核; Nue 核仁; Lb 脂质体; L 白色体.

随后，对龙葵根系进行代谢组学与转录组学分析。代谢组学分析结果发现Cd胁迫下龙葵根系有7条代谢通路被显著干扰，涉及19个差异表达代谢物（DEMs）。而转录组学分析结果鉴定出3908个共同差异表达基因（DEGs），其中上调DEGs 1049个，下调DEGs 2859个。除此之外，该研究利用组学联合分析还发现了Cd胁迫下参与根组织细胞壁生物合成的DEMs和DEGs，初步揭示了细胞壁在龙葵根系解毒Cd过程中发挥的重要作用。

图2. Cd胁迫下龙葵根系共同差异代谢物涉及的代谢通路富集分析（a）；Cd胁迫下龙葵根系差异代谢物（氨基酸、碳水化合物和核苷酸类）相对含量变化箱式图（b）

图3. 细胞壁组分木质素合成途径简图，蓝色代表共同上调和下调的差异表达基因，绿色代表共同下调的差异表达基因（a）；参与木质素合成的差异表达基因的相对表达量，红色代表上调基因，绿色代表下调基因（b）；参与细胞壁其他组分合成的差异表达基因的相对表达量，红色代表上调基因，绿色代表下调基因（c）

图4. Cd胁迫下参与细胞壁合成的差异表达代谢物相对含量变化箱式图

上海交通大学农业与生物学院生态学博士生王军才为论文第一作者, 周培教授为通讯作者, 博士后初少华、张丹副研究员等参与了该研究。课题组多年来一直从事农业产地环境污染防治与修复方面的研究,并在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Bioresource Technology、Science of The Total Environment等国内外权威期刊发表多篇论文。相关研究得到国家重大研发计划和国家自然科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127168