河南農(nóng)業(yè)大學“農(nóng)田生產(chǎn)力綠色調(diào)控與功能性肥料”科技創(chuàng)新團隊與“土壤培肥與耕地保育”科技創(chuàng)新團隊在玉米響應(yīng)鎘、鈰暴露的生理生化及分子機制研究方面取得重要進展，相關(guān)研究成果分別發(fā)表于生物生化與分子生物學、環(huán)境科學與生態(tài)學領(lǐng)域知名期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（JCR1區(qū)，中科院1區(qū)Top，IF=7.7）及《Ecotoxicology and Environmental Safety》（JCR1區(qū)，中科院2區(qū)，IF=6.2）。
稀土元素具有全球性的重要戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義。然而，稀土元素的廣泛開發(fā)和應(yīng)用，導致了其在環(huán)境中的過量積累。此外，稀土元素污染通常伴隨著土壤中的重金屬污染，這已成為突出的環(huán)境問題。目前，關(guān)于稀土和重金屬共暴露對作物的毒性效應(yīng)及生態(tài)功能的機制研究較少。鈰（Ce）和鎘（Cd）分別為稀土和重金屬代表元素，本研究以玉米為供試對象，通過設(shè)置不同濃度Ce和Cd，探究Ce和Cd暴露對玉米生長的交互作用及毒性機制。研究結(jié)果表明，Cd和Ce均以劑量依賴的方式通過增強氧化應(yīng)激損傷抑制了玉米的生長。Cd和Ce的共暴露對玉米生長具有復雜的交互作用。Ce能夠提高葉綠素含量，同時減輕鎘誘導的葉片黃化現(xiàn)象。與單獨添加50 μM Cd處理相比，分別添加10 mg·L?1和100 mg·L?1 Ce顯著增加了葉綠素a含量52.2%和50.2%。生理生化效應(yīng)水平指數(shù)結(jié)果表明，Cd和Ce的主要相互作用模式為拮抗作用，高濃度的Cd和Ce共暴露的生態(tài)風險比單Ce更高。研究為稀土元素和重金屬共暴露的毒理學效應(yīng)提供了重要的見解，也為未來有關(guān)聯(lián)合污染的環(huán)境風險研究和管理策略提供了指導。研究結(jié)果以“Elucidating the interaction and toxicity of cadmium and cerium on the growth of maize seedlings: Insights from morpho-physiological and biochemical analysis”為題于2025年3月20日在線發(fā)表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。
鑒于高濃度的Cd和Ce共暴露所帶來的高生態(tài)風險以及對玉米葉片顯著的損傷，綜合超微結(jié)構(gòu)、生理生化、轉(zhuǎn)錄組學和分子響應(yīng)，探究Cd和Ce暴露影響玉米生長的潛在機制。研究結(jié)果表明，Cd和Ce暴露通過破壞光合作用和葉綠素合成，引起了ROS失衡，導致了對玉米生長的抑制。然而，與單獨的Cd暴露相比，Cd和Ce共暴露對玉米光合系統(tǒng)的影響較小，因其減少了嗜鋨質(zhì)球蛋白的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)錄組學和分子對接分析表明，Cd和Ce共暴露存在拮抗作用。Ce有助于修復Cd暴露的葉片中的光系統(tǒng)，促進葉綠素的合成和光合作用。然而，對碳同化蛋白結(jié)構(gòu)的干擾和對激素信號傳導、AsA-GSH循環(huán)和苯丙素代謝途徑的破壞導致了氧化應(yīng)激，主要表現(xiàn)在活性氧（ROS）水平升高及金屬解毒途徑受損?；蚬脖磉_網(wǎng)絡(luò)分析挖掘出關(guān)鍵基因SOT5（Zm00001eb327110），發(fā)現(xiàn)該基因與光合作用、ROS清除和激素信號傳導有關(guān)，是開發(fā)抗逆作物品種的潛在基因。這項研究為玉米如何應(yīng)對重金屬和稀土元素毒性提供了新的見解，并強調(diào)了提高抗逆性的關(guān)鍵途徑。研究結(jié)果以“Integrated ultrastructural, physiological and transcriptomic analyses uncover alterations in photosynthetic biomacromolecule structures by cadmium and cerium co-exposure and their regulation by hormone signaling and antioxidant pathways in maize”為題于2025年3月29日在線發(fā)表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。
河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境2022級碩士研究生張輝紅為上述論文的第一作者，姜瑛教授和柳海濤副教授為共同通訊作者。我院劉世亮教授、王祎教授、李嵐?jié)苯淌?、李世瑩博士為研究做出了重要貢獻。該研究得到河南省自然科學基金（252300421203、242300420150）、河南省重點研發(fā)推廣項目（252125612039）、河南省高校重點研究項目（24A210011）和國家重點研發(fā)項目（2021YFD1700904）等項目資助。
論文1鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.118079
論文2鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142472
來源：河南農(nóng)業(yè)大學
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