佛山大學國際膜團隊聯合新疆生地所揭示褪黑素通過多重機制增強植物鎘耐受性

土壤鎘（Cd）污染嚴重威脅作物產量與食品安全，綠豆（Vigna radiata）作為全球重要的豆類作物，對鎘毒性高度敏感，其營養穩態、光合作用及氧化還原平衡易受鎘破壞。褪黑素（melatonin，Mel）作為一種多效性信號分子，在緩解非生物脅迫方面展現出潛力，但其在植物鎘耐受性中的作用機制尚未明確。

近日，佛山大學農業與生物工程學院黃麗萍副教授團隊在Plant Physiology and Biochemistry在線發表了題為Melatonin improves nutrient uptake and confers Cd tolerance in mung bean via Cd detoxification and redox regulation的研究論文，系統揭示了褪黑素通過整合鎘解毒、營養調控與氧化還原平衡維持植物鎘耐受性的分子機制，為理解褪黑素在植物重金屬脅迫響應中的作用提供了新視角。

該研究發現，褪黑素可通過下調植物根部金屬離子轉運體（ZIP1、YSL3）的表達，抑制鎘離子從根系環境向細胞內的跨膜運輸，同時上調植物鎘抗性蛋白（PCR2）與重金屬ATP酶（HMA）的表達，促進鎘在葉片細胞壁的沉積與液泡內的區室化，減少鎘對細胞器的毒性損傷。更為重要的是，褪黑素能激活質膜H+-ATP酶活性，為鉀離子轉運體（HAK5）與硝酸鹽轉運體（NRT1/NRT2）提供能量，恢復受鎘抑制的硝酸還原酶（NR）-谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶（GS-GOGAT）通路，維持胞內鉀、氮營養穩態；同時，褪黑素通過提升超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶活性及植物螯合肽（PCs）合成，清除鎘誘導的活性氧（ROS），維持氧化還原平衡，進而改善植物光合性能（葉綠素含量與光系統 II 效率提升）。

為了從分子層面解析褪黑素介導鎘耐受性的調控網絡，明確其對植物基因表達的全局影響，研究通過轉錄組測序（RNA-seq）對鎘脅迫下褪黑素處理組與未處理組的植物葉片進行差異表達分析：結果顯示，相較于單獨鎘處理組，褪黑素處理組共鑒定出2695個差異表達基因（DEGs），其中763個基因顯著上調、1932個基因顯著下調；這些DEGs顯著富集于金屬離子轉運（如下調 ZIP1、YSL3，上調 PCR2、HMA）、細胞壁生物合成（如纖維素合成酶基因）、活性氧（ROS）清除（如SOD、CAT、APX相關基因）及氮鉀營養代謝（如 HAK5、NRT1/NRT2、NR、GS 相關基因）等通路，且與生理層面觀察到的鎘區室化增強、氧化損傷減輕、營養穩態恢復等表型高度一致；進一步通過實時熒光定量 PCR（qPCR）驗證關鍵DEGs的表達模式，證實褪黑素可通過靶向調控上述通路基因的轉錄水平，構建“鎘解毒-營養調控-氧化還原平衡”協同的分子防御體系，為褪黑素增強植物鎘耐受性的生理機制提供了轉錄組層面的直接證據。

綜上，該研究首次系統闡明褪黑素通過“鎘轉運調控-營養穩態維持- 氧化還原平衡”三重協同機制增強植物對鎘的耐受性，拓展了植物重金屬脅迫響應的調控網絡。該發現不僅為培育鎘耐受型豆類作物提供了關鍵分子靶點與生理調控路徑，也為通過外源褪黑素施用等農藝阻控技術，在重金屬污染土壤中實現作物安全生產、保障食品安全奠定了基礎，對推動污染農田修復與農業可持續發展具有重要實踐意義。

本研究的發表，是佛山大學團隊在植物逆境脅迫領域研究的又一重要進展。事實上，圍繞植物逆境生理這一核心方向，團隊已形成系統性研究體系，并在國際權威期刊平臺持續輸出高水平成果，彰顯了研究的學術價值與國際影響力。

佛山大學農業與生物工程學院黃麗萍副教授為論文第一作者，中國科學院新疆生態與地理研究所Mohsin Tanveer教授為通訊作者、西澳大學Sergey Shabala教授為共同通訊作者。佛山大學碩士生陳廣鑫、本科生劉玥為共同第一作者，本科生黃戀珺和亢新雅也參與研究。該研究得到國家自然科學基金青年基金、廣東省膜生物學與環境國際科技合作基地和佛山大學高層次人才項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.110735