近日,湘潭大学环境与资源学院李峰教授团队在
Journal of Agricultural and Food
Chemistry
上发表了题为
“Hydroxamate Siderophores Intensify the
Co-Deposition of Cadmium and Silicon as Phytolith-Like Particulates in Rice
Stem Nodes: A Natural Strategy to Mitigate Grain Cadmium Accumulation”
的研究论文
(DOI: 10.1021/acs.jafc.4c07183)
,揭示了异羟肟酸型铁载体强化镉和硅在水稻茎节中共沉积形成类植硅体颗粒以限制籽粒镉积累的分子机制。该研究成果促进了我们对微生物代谢物增强水稻植株内在生理屏障以减轻
Cd
胁迫的理解
。
水稻植硅体中镉(
Cd
)固存能有效限制其向籽粒的迁移。异羟肟酸型铁载体(
HDS
)广泛参与土壤
-
水稻系统的离子运输和交换过程,但
HDS
对水稻中
Cd
和硅(
Si
)的命运,尤其是植硅体形成的影响仍然知之甚少。为此,作者利用稳定同位素示踪并结合悬浮细胞验证及分子动力学模拟等技术对上述机制进行探究。研究结果表明,在根际土
-
孔隙水
-
根界面,
HDS
的添加增加了土壤孔隙水中溶解性
Si
和
Cd
的含量并强化了生殖生长期根系对
Si
和
Cd
的吸收。在向地上部转运过程中,
HDS
通过氢键和螯合作用有效捕获了水稻倒三茎中的正硅酸和
Cd
离子,并通过疏水相互作用快速沉积在木质部的细胞壁上,促进了
Si-O-Cd
共价交联聚合物的形成。最终
Cd
以
CdSiO
3
的形式被固定并形成类植硅体颗粒。水稻悬浮细胞实验表明,
HDS
作用下细胞壁表面类植硅体颗粒的成核速率提高了
4
倍,解离平衡常数
K
D
为
2.35e-8
nM
。田间试验证实,
HDS
显著降低了水稻籽粒中
Cd
积累
46.4%
,而水稻茎中
Cd
含量增加
41.2%
,其中倒三茎含量最高。
图文导读
图
1. (a)
添加
HDS
对成熟期稻米和全生育期茎中
Cd
含量的影响
. (b)
水稻成熟期各组织中
Cd
的相对丰度
. (c)
水稻全生育期组织中
Cd
转运因子变化
.
在水稻根际添加
HDS
后,成熟期水稻籽粒中
Cd
含量从
0.31
mg/kg
下降到
0.14 mg/kg
,去除率为
46.4%
,而水稻茎中
Cd
含量增加了
41.2%
,约为
0.07
mg/kg
。茎中增加的
Cd
主要富集在倒三茎。在水稻灌浆期后,添加
HDS
显著增加了土壤到根和根到茎的转运因子(
TF
),但在全生育期,茎到叶的
TF
值显著增加。成熟期全茎叶至籽粒的
TF
值均呈下降趋势,其中以倒一茎下降幅度最大,达
12.6%
。此外,通过统计水稻的穗数、千粒重、每穗粒数和结实率以及糙米中铁、钾、粗蛋白质等指标,发现
HDS
对稻米产量及营养物质含量均无显著影响
。
图
2. (a)
水稻不同生育期土壤孔隙水中溶解
Cd
、
Si
和
HDS
含量的变化
. (b)
水稻全生育期
Si
、
HDS
和
Cd
转运基因的表达量
.
Lsi
、
OsYSL
和
OsNramp
分别主要参与
Si
、
HDS
和
Cd
的输运。
在水稻土中添加
HDS
后,水稻土中
Fe-Mn
氧化态
Si
、无定形态
Si
、
Fe-Mn
氧化态
Cd
和有机质结合态
Cd
被激活,土壤孔隙水中正硅酸和
Cd
离子含量提高
21.7%-30.4%
,其中抽穗和灌浆期增幅最大。此外,整个水稻生育期土壤和孔隙水的
pH
值也增加了
0.2-0.34
,
Eh
变化不明显。研究表明,只有将土壤
pH
调节到
6.2-6.5
,才能有效降低水稻对
Cd
的吸收。因此,
HDS
引起的土壤
pH
的轻微升高并不能显著降低水稻对
Cd
的富集能力。添加
HDS
后,在灌浆期和成熟期,基因
Lsi
、
OsYSL
和
OsNramp5
上调了
1.2-4.1
倍,导致水稻根系在灌浆期和成熟期主动吸收并向茎节输送大量
HDS
、
Si
和
Cd
。
OsHMA2
在水稻各生育期均下调,其中灌浆期下调
88.7%
,表明
Cd
向水稻植株地上组织(如茎节)运输的能力下降
。
图
3.
水稻不同组织中
(a)
15
N-HDS
丰度及其与
Cd
、
Si
含量的相关性
(b). (c)
水稻成熟期茎节、叶片和籽粒中
HDS
分布的共聚焦显微镜图
.
在水稻成熟期,
δ
15
N
在倒三茎和倒三叶的丰度比例较高,且水稻组织中
δ
15
N
丰度与相应
Cd
、
Si
含量呈正相关,相关系数
R
2
均为
0.82
。
HDS
主要在茎维管束中积累,特别是在木质部区域。
HDS
通过倒三叶的维管束即叶脉运输,这与水稻中
Cd
的运输途径相似。在籽粒中,
HDS
主要定位于外胚乳,而以往研究表明
Cd
主要存在于外胚乳中,进一步证实了
HDS
参与了
Cd
和
Si
的易位。值得注意的是,在水稻茎节的内胚层附近发现了大量的
HDS
。主要是因为
HDS
被主动转运到水稻内胚层细胞膜后,内胚层细胞外凯氏带的屏障作用降低了
HDS
向胞外扩散,提高了
HDS
的长效性
。
图
4.
添加
HDS(a)
和未添加
HDS(b)
时水稻茎节沉积颗粒的
SEM-EDS
图
. HDS
处理形成的颗粒的离子映射图
(c),
不同深度(
0 ~ 250 nm
)的离子组成和丰度变化
(d)
,以及关键元素的空间分布图
(e).
添加
HDS
后,在茎节木质部表面观察到大量不规则的球形颗粒,直径约为
3-10 μm
。除
C
、
O
等大量元素外,其余元素组成为
Si
(
35.8%
)、
Cd
(
35.2%
)、
Ni
(
11.5%
)和
Pb(7.3%)
,其中
Si
和
Cd
的含量显著高于对照组。原位
TOF-SIMS
表明,这些颗粒的主要成分
O
,
Si
和
Cd
在
0
至
250 nm
的深度范围内保持稳定。此外,溅射约
80 S
后,上述三种元素的强度呈下降趋势,表明球形颗粒可能形成约
40 nm
厚的致密层。对灰化茎节颗粒的全元素分析也证实,球形颗粒中
Si
和
Cd
含量分别增加了
83.6%
和
129.4%
。
TEM
衍射分析证实了这些颗粒是结晶良好和多晶的,
XRD
分析表明颗粒的主要结构为
CdSiO
3
。相比之下,对照组形成的灰化颗粒主要为
SiO
2
的非晶结构。灰化颗粒物中
15
N
的丰度为
147.1%
,而对照仅为
6.3%
,进一步证明了
HDS
参与了
Si
和
Cd
在这些颗粒中以
CdSiO
3
的形式沉积,这也导致倒三茎中可溶性
Cd
含量下降了
13%
。
除重金属外,已知
HDS
对铁具有较强的螯合能力,但添加
HDS
后,类植硅体颗粒中的铁含量明显降低。这主要是因为
CdSiO
3
比
FeSiO
3
更稳定,对茎节内强酸环境的耐受性更高。研究表明,
CdSiO
3
化合物结构稳定性最高,其次是
CdSO
4
和
CdCO
3
,这表明
SiO
3
2-
可能是钝化
Cd
污染的首选官能团。与其他阳离子重金属相比,
HDS
对
Cd
2+
的螯合能力也更强,这主要是因为
Cd
2+
的离子半径更小,电负性更高。
HDS
对
Cd
的强螯合能力有助于在水稻茎中形成
CdSiO
3
。
图
5. (a)
水稻悬浮细胞内形成的类植硅体颗粒的生物扫描电镜图像
. (b)
在溶液饱和状态
σ
下,表面成核数随时间和成核速率(用曲线斜率表示)的线性关系
.
所有数据均为
pH = 5.5
和
T =
25℃
时的细胞壁表面数据
. (c)
在
pH = 5.5
和
T = 25℃
时,底物特异性成核速率与过饱和度平方反比的自然对数图
.
表面等离子体共振监测悬浮细胞壁与
HDS
、
H
4
SiO
4
和
Cd
的相互作用
. (d) HDS-H
4
SiO
4
-Cd,
(e) H
4
SiO
4
-Cd, (f)
HDS-Cd.
进一步利用悬浮细胞验证水稻类植硅体颗粒的最佳合成条件。在
HDS
参与下,当
Si
与
Cd
的比例为
5:1
,
pH
为
5.5
时,正硅酸的利用率相对最高,在该条件下,
HDS
处理组悬浮细胞内产生了大量球形颗粒,
Cd
的相对丰度提高了
20.1%
,促进了
CdSiO
3
在颗粒的形成。通过
HDS
和
Cd
的荧光探针,进一步定位了悬浮细胞中
Cd
和
HDS
分布在细胞壁上,两种荧光的位置高度重叠。成核动力学数据表明,在
HDS
的参与下,细胞壁表面的成核速率与理论预测值
1/σ
2
呈线性关系。在表面促进成核的驱动下,加入
HDS
后的成核速率约为对照组表面的
4
倍。
HDS
处理也降低了成核过程的热力学势垒,其被认为是提高表面成核速率的主要因素。
SPR
分析表明,
3
种复合物的
K
D
值均在纳摩尔范围内,其中
HDS-H
4
SiO
4
-Cd
复合物与细胞壁的
K
D
值最低且为
2.35
×
10
-8
nM
,表明它们与细胞壁的亲和力更强。
图
6. (a) HDS
和硅酸吸附在细胞壁表面的分子动力学模拟
. (b) HDS
、硅酸和
Cd
的分子对接和分子间作用力分析
.
利用分子动力学模拟验证
HDS
与正硅酸在细胞壁表面吸附的动态过程。该系统在
300 ps
后达到平衡,
HDS
分子的空间构型缩小,正硅酸分子位于
HDS
分子的中心。
HDS-
正硅酸盐配合物向半纤维素表面移动,主要是由于
HDS
与半纤维素之间的强疏水相互作用,使得
HDS
在半纤维素表面吸附稳定,结合能为
- 340.1 kcal/mol
。而正硅酸在半纤维素表面的结合能仅为
-60.2 kcal/mol
。同时,
HDS-
正硅酸配合物通过氢键作用优先形成,其对
Cd
的结合能为
−48.7 kcal/mol
,明显低于正硅酸
-Cd
的结合能
−25.5 kcal/mol
。