Cassia tora 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶和1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶的共表达增强了转基因本氏烟草（Nicotiana benthamiana）对铅（Pb）胁迫的耐受性

《Frontiers in Plant Science》：Co-expression of Cassia tora 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase and 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase enhances tolerance of transgenic Nicotiana benthamiana to lead (Pb) stress

植物铅耐受性研究：MEP途径关键基因CtDXS1和CtDXR1的功能解析与分子机制

　　铅污染对植物生长和作物产量造成严重影响，同时也对人类健康构成威胁。随着工业和农业活动的增加，重金属污染问题日益严峻，尤其是在土壤和水体中。铅（Pb）作为第二大有毒重金属，对植物的生理、生化及分子层面均具有显著的破坏性。它不仅抑制光合作用，还干扰DNA完整性、影响营养吸收，并导致细胞结构和组织功能的紊乱。因此，提高植物对铅污染的耐受性成为当前研究的重要方向。

在应对各种非生物胁迫，包括铅胁迫时，植物通过复杂的适应机制来保护自身。其中，脱落酸（ABA）作为一种关键的植物激素，参与调控植物对非生物和生物胁迫的响应，维持细胞稳态。已有研究表明，外源ABA能够减轻铅毒性，通过促进铅从根部向地上部分的转运，从而降低其对植物细胞的伤害。此外，ABA还能通过增强抗氧化酶活性，减轻氧化应激对植物造成的损害。然而，尽管ABA在植物抗逆中发挥重要作用，其在铅耐受性中的具体作用机制仍不明确。

为了进一步探究ABA合成相关基因在铅耐受中的作用，本研究选取了两种在C40类胡萝卜素合成途径中起关键作用的基因：CtDXS1和CtDXR1。这两种基因分别编码MEP（2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸）途径中的第一个和第二个酶。CtDXS1和CtDXR1的表达在铅胁迫下显著上调，表明它们可能参与植物对铅胁迫的响应。基于这一发现，我们构建了同时过表达CtDXS1和CtDXR1的转基因植株，并评估其在铅胁迫下的生长表现和生理生化指标变化。

研究结果显示，转基因植株在铅胁迫下表现出更强的耐受性。其根长、叶宽、叶长、叶数和株高均显著优于野生型植株，同时，其生物量也有所提升。这表明，通过过表达CtDXS1和CtDXR1，植物不仅能够有效应对铅胁迫，还能够在不损害生长的情况下提高抗逆能力。此外，转基因植株的内源ABA含量明显增加，而过氧化氢（H?O?）和丙二醛（MDA）等氧化损伤指标则显著降低。这说明，过表达CtDXS1和CtDXR1能够增强植物的抗氧化能力，减轻铅引起的氧化损伤。

进一步的转录组分析揭示，转基因植株在铅胁迫下调控了多个关键基因的表达，包括与植物激素信号传导、植物-病原体互作和苯丙烷类生物合成相关的基因。这些基因的表达变化表明，转基因植株可能通过增强植物激素信号传导和调控抗氧化酶活性，实现对铅胁迫的响应。此外，研究还发现，某些与铅耐受相关的微生物，如Methylophilus、Massilia和Bradyrhizobium等，在转基因植株的根际微生物群落中显著富集。这表明，铅耐受性不仅涉及植物自身的生理调控，还可能通过改变根际微生物组成，间接促进植物对铅的耐受能力。

通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析，研究发现AUX1和CP1可能作为铅耐受性调控网络中的核心调控因子。AUX1是一种生长素转运蛋白，参与植物生长、发育和铅胁迫响应；CP1则是一种钙结合蛋白，是ABA信号传导路径中的关键成员。这些蛋白质不仅与植物激素信号传导有关，还与多种抗逆相关蛋白相互作用，包括MYC、MPK和Hsp等。这进一步表明，铅胁迫下植物的适应机制涉及复杂的信号传导网络。

此外，ABA在铅胁迫中的作用也得到了验证。当外源ABA施加于野生型植株时，其生长表现显著改善，包括株高、叶数、根长、叶长和叶宽等指标均优于未施加ABA的对照组。这表明，ABA在铅胁迫下对植物的生长和抗逆具有重要作用。同时，ABA的积累也促进了抗氧化酶的表达和活性，进一步减轻了铅对植物细胞的损伤。

在根际微生物群落方面，研究发现，铅胁迫会显著降低野生型植株的微生物多样性，而转基因植株则表现出更强的微生物群落稳定性。某些铅耐受性微生物的富集可能有助于促进植物生长，同时减少铅的吸收和积累。例如，Methylophilus和Bradyrhizobium等微生物的增加可能与它们在铅污染土壤中的固碳和促生特性有关。

综上所述，本研究首次揭示了MEP途径中CtDXS1和CtDXR1基因在铅耐受性中的关键作用。通过增强ABA合成和调控抗氧化酶活性，转基因植株在铅胁迫下表现出更强的耐受能力。同时，根际微生物群落的变化也为植物的铅耐受性提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索这些基因在不同作物中的应用潜力，以及其在植物-微生物互作中的具体作用机制。此外，结合代谢组学和生理学方法，可以更全面地揭示这些基因在铅胁迫下的整体功能。这些发现为铅污染治理和作物改良提供了新的思路和方法。