整合转录组学和代谢组学分析揭示了油菜（Brassica napus L.）对镉胁迫响应的分子机制：对谷胱甘肽和硫代谢途径的见解

《Industrial Crops and Products》：Integrated transcriptomic and metabolomic analysis reveals the molecular mechanisms of cadmium stress response in rapeseed ( Brassica napus L.): Insights into glutathione and sulfur metabolism pathways

镉胁迫影响菜籽生长及产量，本研究通过转录组与代谢组联合分析揭示根系和 shoots 中关键代谢通路（GSH代谢、苯丙烷类代谢、ABC转运蛋白），并发现 BnaMYB28 基因过表达通过调控硫代谢增强镉耐受。

　　这项研究聚焦于油菜（*Brassica napus*）对镉（Cd）胁迫的分子响应机制，旨在揭示油菜如何应对镉污染，并为提高油菜对镉的耐受性提供理论基础和实践策略。镉是一种常见的重金属污染物，其毒性对植物生长和发育具有显著影响，尤其是在土壤污染的背景下，镉的积累不仅影响油菜的产量，还可能降低其油品质。因此，理解油菜在镉胁迫下的生理和分子机制对于缓解镉污染对农业的影响具有重要意义。

研究通过结合转录组学和代谢组学分析，对不同浓度镉处理下的油菜幼苗进行了全面研究。镉浓度分为五个梯度：0、100、200、300和400 μM，分别标记为T0、T1、T2、T3和T4。实验结果显示，随着镉浓度的升高，油菜幼苗的生长受到显著抑制，同时根和地上部分的生物量均有所下降。这表明镉胁迫对油菜的生长发育具有明显的负面影响。此外，镉的积累主要集中在根部，且随着镉浓度的增加，其在根部的积累量显著上升，而在地上部分则相对较少。这一现象可能与油菜根部对镉的主动吸收以及其向地上部分运输的效率有关。

在生理指标方面，研究发现镉胁迫下，油菜幼苗的丙二醛（MDA）含量呈现出先增加后减少的趋势，而脯氨酸（Proline）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化物酶（POD）活性则随着镉浓度的增加而显著上升，并逐渐趋于稳定。这些结果表明，油菜在镉胁迫下激活了抗氧化系统，以应对镉诱导的活性氧（ROS）爆发，从而减轻镉对细胞的伤害。然而，高浓度镉可能削弱这一防御机制，导致细胞损伤。

从转录组学分析来看，油菜根部和地上部分在不同镉浓度处理下均表现出大量差异表达基因（DEGs）。根部的DEGs主要富集于谷胱甘肽（GSH）代谢、苯丙烷类物质合成、ABC转运蛋白和金属离子转运相关通路，而地上部分的DEGs则主要与MAPK信号通路、GSH代谢和光合作用相关。这些通路的激活可能与油菜在镉胁迫下的适应性反应有关，其中GSH代谢和苯丙烷类物质合成被认为是关键的抗镉机制。GSH作为一种重要的抗氧化剂，能够与镉离子结合，形成稳定的复合物，从而降低其毒性。此外，苯丙烷类物质合成与细胞壁的加厚密切相关，这可能有助于限制镉在细胞内的扩散，增强其抗性。

代谢组学分析进一步揭示了油菜在镉胁迫下的代谢响应。根部和地上部分均表现出显著的差异积累代谢物（DAMs），其中根部的DAMs主要富集于生物合成的次级代谢物、半胱氨酸和蛋氨酸代谢，以及ABC转运蛋白相关的代谢通路。地上部分的DAMs则主要与次级代谢物的合成、氨基酸代谢和光合作用相关。这些结果表明，镉胁迫不仅影响了油菜的生理状态，还显著改变了其代谢网络，从而影响其对镉的耐受性。

进一步的整合分析显示，GSH代谢和苯丙烷类物质合成在油菜根部和地上部分均受到显著调控，而这些通路的协同作用可能对镉胁迫的响应至关重要。此外，研究发现镉胁迫会显著抑制硫代葡萄糖苷（GSL）的生物合成，而促进硫向GSH代谢的重新分配。这种硫的重新分配可能有助于提高GSH的合成效率，从而增强镉的解毒能力。同时，研究还发现，某些转运蛋白，如ABC转运蛋白和HMA转运蛋白，可能在镉的细胞内隔离和解毒过程中发挥关键作用。

为了验证这些分子机制的实际应用价值，研究通过基因转化实验，对* BnaMYB28 *基因进行了过表达。* BnaMYB28 *是调控脂肪族硫代葡萄糖苷（GSL）生物合成的关键转录因子，其在油菜中的表达可能影响硫代谢和GSH代谢。实验结果表明，过表达* BnaMYB28 *的油菜植株在镉胁迫下表现出更高的生物量和更低的镉积累，说明该基因在提高油菜镉耐受性方面具有潜在的应用价值。此外，* BnaMYB28 *的过表达显著增强了GSH代谢和硫代谢相关基因的表达，进一步支持了其在镉解毒中的关键作用。

研究还探讨了镉胁迫下油菜的抗氧化系统和运输蛋白的响应机制。镉胁迫会导致活性氧（ROS）的积累，从而激活植物的抗氧化系统，包括SOD、POD和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性增加。然而，高浓度镉可能会削弱这一系统，导致细胞损伤。运输蛋白，如NRAMPs、ZIPs、IRTs、HMA和ABC转运蛋白，在镉胁迫下表现出不同的表达模式。低浓度镉处理下，这些运输蛋白的表达可能有助于镉的吸收，而高浓度镉处理下，其表达水平下降，可能意味着植物通过减少吸收来减轻镉的毒性。ABC转运蛋白在镉胁迫下显著上调，可能参与镉-谷胱甘肽复合物向液泡的转运，从而促进镉的隔离和解毒。

此外，研究还发现，镉胁迫可能通过影响硫代谢来增强植物的耐受性。硫是植物生长所必需的元素，其代谢与镉的解毒密切相关。GSH作为硫代谢的重要中间产物，能够通过其巯基与镉离子结合，形成稳定的复合物，从而减少其毒性。研究还发现，镉胁迫下，GSH代谢相关基因的表达显著上调，这可能有助于提高GSH的合成效率，从而增强油菜对镉的耐受性。同时，* BnaMYB28 *的过表达进一步促进了硫代谢和GSH代谢相关基因的表达，这可能为油菜的抗镉育种提供了新的策略。

综合来看，这项研究通过多组学分析揭示了油菜在镉胁迫下的分子响应机制，发现镉胁迫不仅影响了油菜的生长和生理状态，还显著改变了其代谢网络。研究还发现，GSH代谢和苯丙烷类物质合成是油菜抗镉的关键通路，而* BnaMYB28 *基因的过表达能够有效提高油菜的镉耐受性。这些发现不仅加深了我们对油菜抗镉机制的理解，还为提高油菜对镉污染的耐受性提供了理论支持和实践策略。未来，进一步的研究可以聚焦于这些关键基因和通路的调控机制，以及如何通过基因编辑技术提高油菜的抗镉能力，从而减少镉对农业生产的影响。