外源甘油缓解玉米幼苗镉胁迫的生理调控机制：保障粮食安全的新策略

《Scientific Reports》：Physiological regulation underlying the alleviation of cadmium stress in maize seedlings by exogenous glycerol

为解决玉米受镉（Cd）污染威胁全球粮食安全的问题，东北农业大学研究人员开展了外源甘油对玉米幼苗 Cd 积累影响的研究。结果表明，外源甘油可促进玉米生长、降低 Cd 积累。该研究为缓解玉米 Cd 污染提供新途径，助力培育抗重金属植物1213。

　　在全球范围内，镉（Cd）污染已成为一个突出的环境问题。水体中的 Cd 会通过灌溉等方式进入农田，由于 Cd 在土壤中具有持久性，农作物在吸收土壤养分时会吸收 Cd，导致大量 Cd 在作物中富集。玉米作为世界上广泛种植且在中国具有重要地位的作物，其吸收和转运 Cd 的能力较强，这不仅影响自身生长，还会通过食物链危害人体健康。从农田中去除 Cd 难度较大，因此寻找有效减轻玉米中 Cd 积累的策略，对保障粮食安全至关重要。

为了探究如何减轻玉米中 Cd 的积累，东北农业大学的研究人员开展了一项研究。他们设计了盆栽实验，分析在 Cd 胁迫下，外源甘油对玉米幼苗形态特征、生理特性和分子响应的影响。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：首先进行盆栽实验，选用郑单 958 玉米种子，设置不同 Cd 浓度和甘油处理组；实验过程中测定生物量、形态指标、生理指标（如总叶绿素含量、净光合速率（Pn）等）、Cd 含量及分布；还对玉米叶片进行转录组分析，包括 RNA 提取、cDNA 文库构建和测序等。

研究结果如下：

1. 玉米幼苗生物量和形态指标响应：正常条件下，叶面喷施甘油增加了玉米地上和地下部分干重。Cd 处理抑制玉米生长，且浓度越高抑制作用越强。添加甘油后，地上部分干重显著增加，如在 Cd400 + Gly 处理组，14 天和 21 天时地上部分干重分别比 Cd400 处理组增加 50.08% 和 27.57%；同时，外源甘油能缓解 Cd 对根系生长的抑制，增加根表面积和总长度345。
2. 玉米幼苗生理指标响应：正常条件下，外源甘油提高了玉米光合作用相关指标；Cd 胁迫下，这些指标随 Cd 浓度增加而降低，添加甘油后显著增加，如 Cd400 + Gly 处理组在 14 天时，总叶绿素含量、Pn、RuBisCO 活性和 PEPC 活性分别比 Cd400 处理组增加 20.87%、15.84%、9.43% 和 19.67%。此外，甘油还增加了蔗糖和碳水化合物含量，降低了 H₂O₂和 MDA 含量，提高了抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性678。
3. 玉米幼苗 Cd 含量、转运系数和亚细胞分布：Cd 胁迫下，玉米根中 Cd 积累量大于地上部分。添加甘油后，地上部分 Cd 含量显著降低，如 Cd400 + Gly 处理组在 14 天和 21 天时，地上部分 Cd 含量分别比 Cd400 处理组降低 18.63% 和 14.03%，同时根中 Cd 含量增加，Cd 转运系数（TF）显著降低。在亚细胞分布上，甘油使地上部分细胞器和可溶性成分中 Cd 含量降低，根中细胞壁 Cd 含量增加91011。
4. 转录组分析：对处理 21 天的玉米地上部分进行转录组测序，结果显示测序质量高。不同处理组间存在差异表达基因，Cd400/Cd400 + Gly 处理组差异表达基因富集在植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等 12 条通路；Cd800/Cd800 + Gly 处理组富集在苯丙烷生物合成、光合作用等通路1214。

研究结论和讨论部分表明，叶面喷施甘油可促进 Cd 胁迫下玉米幼苗生长，增加生物量，提高光合作用能力，增强抗氧化防御系统，减少 Cd 向地上部分转运。转录组分析揭示了甘油缓解 Cd 胁迫的分子机制，可能与苯丙烷生物合成、植物 - 病原体相互作用和光合作用通路有关。该研究为有效缓解玉米中过量 Cd 提供了新方法，为培育抗重金属植物提供了理论依据和实践指导，对保障粮食安全具有重要意义。