硅铁协同调控番茄幼苗细胞壁组分降低镉积累的分子机制

为解决农田土壤镉(Cd)污染导致的作物减产和食品安全问题，四川农业大学的科研团队通过生理生化与转录组学分析，揭示了硅(Si)和铁(Fe)协同调控番茄细胞壁组分(纤维素/半纤维素/果胶)及Cd转运基因(ABCA1/HMA5/ZIP-201)表达的作用机制。研究发现1.5 mmol·L-1 Si与100 μmol·L-1 Fe联合处理可显著降低根系Cd含量46.3%，为作物安全生产提供了新策略。

　　

在农田重金属污染日益严重的背景下，镉(Cd)因其高毒性和易迁移性成为威胁农产品安全的首要污染物。这种有毒重金属不仅会抑制种子萌发、破坏叶绿体结构，更可怕的是它能通过食物链在人体蓄积，半衰期长达10-30年，长期摄入可导致"痛痛病"等严重疾病。番茄作为全球广泛种植的蔬菜作物，其根系对Cd的高效吸收特性使得研究其解毒机制具有重要现实意义。

四川农业大学园艺学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，创新性地采用硅(Si)和铁(Fe)复合处理策略，通过水培实验结合多组学分析，系统阐明了这两种元素协同减轻Cd毒性的分子机制。研究运用原子吸收光谱测定Cd含量，采用差速离心法进行亚细胞组分分离，结合qRT-PCR和RNA-seq技术分析了关键基因表达谱，并利用分光光度法检测了细胞壁降解酶活性。

【硅铁协同促进生长】实验数据显示，Cd胁迫使番茄幼苗株高降低43.3%，而Si+Fe复合处理(CSF)使生物量恢复至对照组的58%。这种促生效果源于Si通过上调生长素合成基因，同时Fe通过保护叶绿体结构实现的协同作用。

【细胞壁重构机制】亚细胞分布分析表明，CSF处理使根系细胞壁Cd占比提升20%，这与其显著提高离子结合果胶(12.86%)和半纤维素(28.92%)含量相关。转录组数据揭示，Si+Fe处理下调多聚半乳糖醛酸酶(PG)基因表达，同时上调果胶甲酯酶(PE)活性，通过维持果胶甲基化程度增强Cd固定能力。

【金属转运调控】基因表达分析显示，CSF处理使Cd外排基因HMA5表达量提升3.2倍，同时抑制Cd吸收基因ZIP-201的表达。这种双重调控使地上部Cd含量降低14.29%，有效阻断了Cd的纵向运输。

【解毒通路激活】KEGG分析发现，苯丙烷代谢途径中过氧化物酶(POD)基因显著上调，促进木质素单体聚合形成物理屏障。与此同时，Si+Fe处理使纤维素含量降低41.51%，为果胶网络扩展创造空间。

该研究首次系统揭示了Si-Fe复合处理通过"细胞壁组分重构-金属转运重编程"双途径减轻Cd毒性的分子机制。实践层面，1.5 mmol·L^-1 Si叶面喷施结合100 μmol·L^-1 Fe根部供给的优化方案，为Cd污染农田的安全生产提供了经济有效的解决方案。理论层面，发现细胞壁果胶甲基化程度与Cd固定效率的正相关性，为作物抗逆育种提供了新靶点。特别值得注意的是，该研究提出的"亚细胞区室化-木质素屏障-果胶螯合"三级防御模型，为理解植物重金属解毒机制提供了全新框架。