合作文章丨钙离子-乙烯信号级联介导镉诱导的拟南芥根生长抑制

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合作文章丨钙离子-乙烯信号级联介导镉诱导的拟南芥根生长抑制

2026-08-17

文章以拟南芥为研究对象，系统解析了钙信号与乙烯信号级联调控镉诱导根系生长抑制的分子机制。研究发现，镉胁迫能够激活拟南芥根系中钙依赖性转录级联反应，进而促进乙烯的生物合成与信号转导，最终抑制根伸长。通过药理学实验、转录组测序和遗传上位性分析，该研究确立了钙信号位于乙烯信号上游的功能层级：抑制钙信号可降低镉积累、缓解根生长抑制，而恢复乙烯信号则逆转这一表型。在分子层面，该钙-乙烯调控模块通过下调镉吸收基因IRT1和木质部装载基因HMA4的表达，同时上调液泡隔离基因MTP1的表达，协同调控镉的吸收、转运与区隔化。该研究揭示了一条钙-乙烯信号轴，将环境镉感知与金属稳态调控相偶联，为减少作物镉积累提供了新的分子靶点和育种思路。

文献案例：钙离子-乙烯信号级联介导镉诱导的拟南芥根生长抑制

合作文章丨钙离子-乙烯信号级联介导镉诱导的拟南芥根生长抑制

英文题目：A Ca2+–ethylene signaling cascade mediates cadmium-induced root growth inhibition in Arabidopsis

发表期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：5.1

单位：中国农业科学院烟草研究所

DOI：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2026.106419

普奈斯提供：植物镉元素含量检测

研究路线

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研究背景

镉是一种毒性强烈的重金属。采矿、工业排放和含镉肥料施用导致土壤镉污染加剧，威胁作物生产与食品安全。植物根系最先接触土壤污染物，根系生长抑制是镉中毒的典型症状。镉离子进入根部后可向地上部转运，在茎、叶和种子中积累，引发产量下降并干扰活性氧清除系统。

植物进化出多层防御策略：激活抗氧化系统清除活性氧；通过植物螯合肽和金属硫蛋白隔离镉至液泡；调节ZIP、NRAMP、HMA等转运蛋白控制镉的吸收与分配。这些反应受信号网络协调，阐明上游信号通路如何调控根系生长具有重要科学意义。

钙离子作为第二信使，在非生物胁迫中发挥核心作用。镉胁迫能触发钙信号变化，激活下游响应基因表达。但钙信号在不同物种和组织中的特征不尽相同，其在镉胁迫中的角色仍存争议。钙信号常与植物激素信号整合，尤其是乙烯。乙烯已被证实参与镉胁迫响应，突变体研究显示乙烯信号缺失可减轻镉诱导的生长抑制。尽管两类信号各自都能响应镉胁迫且存在功能联系，但二者调控根系生长的层级关系和协同机制仍不清楚。本研究旨在阐明钙信号在镉胁迫下抑制根系生长的机制，厘清钙信号与乙烯信号的上下游关系及其对镉转运蛋白的调控，为植物镉胁迫适应提供理论依据。

样本处理

本研究以拟南芥（Col-0生态型）及乙烯信号缺陷突变体（ein2-1和ein2-5）为材料，种子经表面消毒后播种于1/2MS培养基上，于22℃、长日照条件下垂直培养。4日龄幼苗转移至含50µM CdCl₂的培养基中处理7天以诱导镉胁迫。为探究钙信号的作用，分别使用0.5mM EGTA（钙螯合剂）和50µ MLaCl₃（钙通道抑制剂）进行药理学干预，并以离子霉素作为钙信号促进剂，同时利用ACC（乙烯前体）进行回补实验。处理后，分别收集根和地上部样本，用于主根长度和生物量表型测定、PI染色的细胞学观察、ICP-MS元素含量分析、气相色谱乙烯产量检测、qRT-PCR基因表达分析以及转录组测序，系统评估钙-乙烯信号级联在镉响应中的功能。

研究结果

1、降低Ca²⁺信号对拟南芥根系生长的影响

为探究Ca²⁺信号减弱如何影响根系生长，我们首先使用EGTA和LaCl₃进行了剂量筛选实验。用不同浓度的EGTA或LaCl₃处理野生型幼苗，最终选择0.5mM EGTA和50μM LaCl₃用于后续分析，因为这两个浓度仅引起轻微的根系生长抑制，而更高浓度则导致根伸长受到逐渐增强的抑制（图1A-C）。为研究这种生长抑制的细胞学基础，采用碘化丙啶（PI）对根进行染色。抑制剂处理并未减少皮层细胞的大小，但显著降低了分生组织区的皮层细胞数量（图1D-F），表明Ca²⁺信号减弱主要通过抑制分生组织细胞分裂来抑制主根生长。

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图1.Ca²⁺信号影响拟南芥根系生长。（A）拟南芥野生型（Col-0）根系在不同浓度EGTA（0-5mM）或LaCl₃（0-400μM）处理下生长5天的表型，红色矩形框标注后续分析所选用的代表性浓度，标尺=1cm；（B-C）Col-0幼苗在不同浓度EGTA（B）和LaCl₃（C）处理下的主根长度，数据以均值±SD表示（n≥10），星号表示与对照组相比差异显著（P<0.05，Student's t-检验）；（D）碘化丙啶（PI）染色的拟南芥根代表性图像，主根被划分为分生区、伸长区和分化区，标尺=50μm；（E）不同浓度EGTA和LaCl₃处理下根分生区和伸长区皮层细胞数量的统计结果，星号表示差异显著（P<0.05，Student's t-检验），数据以均值±SD表示（n=3）；（F）不同浓度EGTA和LaCl₃处理对根分生区和伸长区皮层细胞大小的定量影响，数据以均值±SD表示（n=3）；（G-H）野生型植株与ein2突变体在根分生区和伸长区的皮层细胞数量（G）和细胞大小（H）的比较，数据以均值±SD表示（n=3）。

2、镉诱导根系生长抑制的细胞学基础

为进一步阐明镉胁迫下根系生长响应的细胞学机制，我们对50μM Cd处理的野生型植株进行了细胞水平分析。参照Bahmani等人的方法，系统检测了根细胞分裂活性（以CYCB1;1表达为指标），以及分生组织和伸长区皮层细胞数量和细胞长度。与对照相比，Cd处理显著降低了CYCB1;1的表达，同时伴随着分生区和伸长区皮层细胞数量的显著减少，表明Cd既抑制了根细胞分裂，也抑制了细胞伸长。

3、Ca²⁺信号参与镉胁迫响应

已有研究表明，不同Ca²⁺相关组分在植物响应Cd胁迫中发挥各异的作用。例如，钙通透性通道CNGC11、CNGC15和CNGC19的突变可增强Cd耐受性并减少Cd积累，而Ca²⁺传感激酶基因CPK21/23的缺失则导致Cd敏感性增加。这些发现提示Ca²⁺相关通路在Cd响应调控中可能发挥不同甚至相反的功能。为进一步验证Ca²⁺信号在Cd胁迫中的参与，我们应用0.5mM EGTA或50μM LaCl₃干扰Ca²⁺信号。在对照条件下，两种处理仅对根系生长产生轻微抑制。然而，在Cd胁迫下，两种抑制剂均能部分缓解Cd诱导的根系生长抑制（图2A-C）。与此一致，外源施用Ca²⁺信号促进剂离子霉素在Cd胁迫下进一步加剧了根系生长抑制。综上，这些结果表明Ca²⁺信号通路参与了Cd胁迫下根系生长的调控。元素分析进一步显示，在Cd处理下，抑制剂处理的幼苗根和地上部中Cd积累量均低于对照，根-地上部转运比率也较低（图2D-E），提示Ca²⁺信号的扰动可能与Cd积累和转运的改变有关。

随后，我们参照已有方法分析了Cd内流动力学。将生长2周的野生型幼苗分别用对照、0.5mM EGTA和50μM LaCl₃处理，然后转移至50μM Cd中处理0、6和24小时。与对照相比，EGTA和LaCl₃处理在Cd处理6小时和24小时后均导致根和地上部Cd积累量下降。同时，将Ca²⁺信号抑制剂预处理的2周龄野生型幼苗与50μM Cd孵育24小时，再转移至对照条件中孵育0、6和24小时，发现EGTA和LaCl₃处理同样降低了根和地上部的Cd浓度，表明Ca²⁺信号能够影响Cd胁迫下的Cd内流和外排。为验证这一结果，我们检测了Cd外排基因PDR8、PCR1、HMA3和ABCC1的表达，结果显示Ca²⁺抑制剂处理后PDR8和HMA3表达上调，进一步证明Ca²⁺信号的缺失通过减少Cd内流和促进Cd外排来减轻Cd毒性。

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图2.Ca²⁺信号对拟南芥根系镉耐受性的负调控作用。（A）野生型（Col-0）幼苗在50μM Cd胁迫下添加0.5mM EGTA和50μM LaCl₃处理7天的表型，标尺=1.5cm；（B-C）Col-0幼苗在50μM Cd胁迫下经0.5mM EGTA和50μM LaCl₃处理后主根长度（B）和幼苗生物量（C）的统计结果，数据以均值±SD表示（n≥10），不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05，单因素方差分析与Tukey's HSD检验）；（D-E）Col-0幼苗在50 μM Cd胁迫下经0.5mM EGTA和50μM LaCl₃处理后根（D）和地上部（E）中Cd含量的测定结果，数据以均值±SD表示（n≥10），不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05，单因素方差分析与Tukey's HSD检验）。

4、转录组鉴定乙烯信号作为Ca²⁺信号的下游组分

为鉴定Cd胁迫下与Ca²⁺相关调控关联的下游组分，我们对0.5mM EGTA处理的幼苗根进行了转录组测序。选择该浓度是因为它在对照条件下仅引起轻微生长缺陷，在Cd处理下产生明显的表型差异，并能提供足够量的根材料用于RNA提取。比较转录组分析揭示了不同处理下广泛的转录重编程。单独Cd处理诱导了809个差异表达基因（DEGs），其中279个上调和530个下调（图3A），而对照条件下的EGTA处理改变了1445个基因的表达，其中350个上调和1095个下调（图3B）。为识别候选下游通路，我们重点关注了322个同时受Cd处理和EGTA应用显著影响表达的基因（图3C）。值得注意的是，乙烯信号相关基因受Cd胁迫强烈诱导，但当Ca²⁺信号过程受到干扰时则被显著抑制，这些基因包括关键的乙烯信号组分，如CTR1（组成型三重反应1）、EIN2（乙烯不敏感2）、ETR1（乙烯响应1）、EIL2（EIN3-LIKE 2）以及多个下游ERFs（乙烯响应因子，图3D）。总之，这些结果表明乙烯信号是Cd胁迫响应中与Ca²⁺信号相关的一个重要下游调控模块。

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图3.Ca²⁺信号在Cd胁迫下诱导的转录组重编程。（A）和（B）火山图显示-Cd与+Cd条件（A）或-Cd与-Cd+EGTA条件（B）之间的差异表达基因（DEGs），DEGs的定义标准为padj≤0.05且|log2（差异倍数）|≥1；（C）韦恩图展示-Cdvs+Cd、-Cdvs-Cd+EGTA、+Cdvs+Cd+EGTA、-Cd+EGTAvs+Cd+EGTA四组比较中差异表达基因的重叠情况；（D）热图展示所选乙烯响应基因在四种实验处理（-Cd、-Cd+EGTA、+Cd和+Cd+EGTA）下的表达水平，色阶对应标准化表达值，并基于基因表达谱进行层次聚类分析。

5、Cd胁迫激活拟南芥根中的乙烯相关响应

我们首先观察细胞形态以检测乙烯对拟南芥根发育的影响，野生型和乙烯相关ein2突变体在细胞数量和分裂方面无显著差异（图1G-H）。转录组数据提示乙烯信号可能在调控根对Cd胁迫响应中作为Ca²⁺信号通路的下游（图3）。为验证Cd处理下乙烯相关响应的激活，我们使用了两个代表性标记基因ACS6（1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶6）和PR4（病原响应基因4），构建了与核定位荧光报告基因的融合表达系（pACS6::NLS-3xmVenus和pPR4::NLS-3xmVenus）。在对照条件下，ACS6主要在根尖表达，在伸长区表达相对较弱。Cd处理显著增强了ACS6在分生区和伸长区的表达，表明根中乙烯生物合成被激活（图4A-B）。相比之下，PR4在对照条件下伸长区的本底表达高于分生区，Cd处理在两个区域均强烈诱导其表达（图4A和C），与下游乙烯信号的激活一致。与报告基因分析结果一致，Cd处理也显著增加了内源乙烯产生量和根中乙烯生物合成基因的表达（图4D）。综上，这些结果支持乙烯信号在根对Cd胁迫响应中发挥重要作用。

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图4.Cd胁迫在转录水平触发乙烯信号。（A）pACS6::NLS-3xmVenus和pPR4::NLS-3xmVenus报告基因系在-Cd和+Cd条件下根中的荧光表达模式。上图和下图分别为伸长区（EZ）和分生区（MZ）的单光学切片和Z轴堆栈最大强度投影（Max Z）。核定位的mVENUS信号（绿色）与碘化丙啶（PI，红色）荧光共定位。标尺=50μm。（B-C）pACS6（B）和pPR4（C）报告基因系在根分生区（MZ）和伸长区（EZ）中相对绿色荧光信号强度的定量分析。数据以均值±SD表示（n=8），不同小写字母表示差异显著（P<0.05，单因素方差分析及Tukey检验）。（D）Cd处理下根中乙烯产生量的测定。数据以均值±SD表示（n=4），星号表示差异显著（P<0.05，Student's t-检验）。

6、Ca²⁺信号作为乙烯信号的上游调控Cd耐受性

Cd胁迫强烈诱导了乙烯相关基因的表达（图4），而抑制Ca²⁺信号则显著抑制了这一响应（图3），提示在根对Cd胁迫的响应中，乙烯信号可能作为Ca²⁺信号的下游发挥作用。为验证这一假设，我们检测了乙烯信号的中心调控因子EIN2。在对照条件下，生长5天后，野生型、ein2-1和ein2-5幼苗在分生组织细胞数量或皮层细胞长度方面无显著差异（图1G-H），表明EIN2缺失在正常条件下对根细胞组织影响甚微。随后我们评估了ein2突变体对Cd胁迫的响应。与野生型相比，两种ein2突变体在Cd处理下根系生长抑制均减弱（图5A-B），同时根中Cd积累量较低（图5C），表明乙烯信号可能与Ca²⁺信号处于同一通路中，共同影响根对Cd的吸收。为进一步明确Ca²⁺与乙烯信号的关系，我们将Ca²⁺螯合剂EGTA与乙烯前体ACC联合应用。在Cd胁迫下，EGTA部分缓解了根系生长抑制，而添加ACC则基本消除了这一效应（图5D-F）。这种类似上位性的相互作用支持乙烯信号在Cd响应中作为Ca²⁺相关过程的下游发挥作用。与此一致，在ein2背景下，通过离子霉素或Ca-Mg混合盐外源促进Ca²⁺信号未能恢复Cd胁迫下的根伸长，进一步证明功能性乙烯信号是Ca²⁺信号调控相关生长效应所必需的。综合以上结果，支持Ca²⁺-乙烯信号作为拟南芥根响应Cd胁迫的一个重要调控模块的模型。

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图5.Ca²⁺信号在适应Cd胁迫过程中作用于乙烯信号上游。（A）野生型（Col-0）和乙烯不敏感突变体（ein2-1和ein2-5）幼苗在Cd胁迫下的表型，幼苗在对照条件下生长4天后转移至Cd条件处理7天，标尺=1.5cm；（B-C）Cd处理下Col-0、ein2-1和ein2-5突变体的主根长度（B）和根中Cd浓度（C），数据以均值±SD表示（n≥4），不同小写字母表示差异显著（P<0.05，单因素方差分析及Tukey检验）；（D）在Cd条件下添加或不添加EGTA及EGTA+ACC处理的幼苗表型，幼苗在对照条件下生长4天后转移至Cd胁迫处理7天，标尺=1.5cm；（E-F）Col-0植株在EGTA及EGTA+ACC处理下的主根长度（E）和根中Cd浓度（F），数据以均值±SD表示（n≥4），不同小写字母表示差异显著（P<0.05，单因素方差分析及Tukey检验）。

7、Ca²⁺-乙烯信号通路负责Cd的吸收与转运

Ca²⁺信号通路被破坏后根和地上部Cd浓度均降低，表明Ca²⁺-乙烯信号可能影响Cd的积累和转运。为探索这一可能性，我们首先在EGTA或EGTA+ACC存在下的Cd处理中，检测了与Cd吸收、转运和隔离相关基因的表达。这些基因包括IRT1（铁调节转运蛋白1，主要铁转运蛋白，也参与Cd吸收）；HMA2/4（重金属ATP酶2/4，介导Cd的木质部装载和根-地上部转运）；以及与细胞内隔离相关的多个基因，包括IRT2（铁调节转运蛋白2）、MTP1/3（金属耐受蛋白1/3）和IREG2（铁调节基因2）。在Ca²⁺相关扰动条件下（Cd+EGTA），IRT1和HMA4的表达显著降低，而MTP1被显著诱导（图6）。值得注意的是，补充ACC（Cd+EGTA+ACC）基本恢复了这些Cd相关基因的表达模式。这些结果表明，Ca²⁺-乙烯信号的破坏与Cd吸收和转运减少、以及细胞内隔离增强相关。

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图6.Ca²⁺信号影响Cd的吸收、转运和液泡隔离。在+Cd、+Cd+EGTA和+Cd+EGTA+ACC处理下，IRT1（吸收）、HMA2/4（根-地上部转运）以及MTP1/3、IRT2和IREG2（液泡隔离）的相对表达水平。以TUBULIN为内参基因。数据以均值±SD表示（n=3）。不同小写字母表示差异显著（P<0.05，单因素方差分析及Tukey检验）。

讨论与总结

钙信号在镉胁迫下对拟南芥根系生长发挥负调控作用，药理学削弱钙信号可缓解镉诱导的根生长抑制并降低植株镉积累。转录组分析与遗传上位性实验表明，镉胁迫可激活钙信号，进而启动下游乙烯信号通路，二者构成“Ca²⁺-乙烯”信号级联。该级联通过下调镉吸收基因IRT1和木质部装载基因HMA4，同时上调液泡隔离基因MTP1，协同调控镉的吸收、转运与区隔化。乙烯不敏感突变体在镉处理下根长较长、镉积累较少，证实乙烯在该过程中亦发挥负向调控功能，且遗传上位性分析确认乙烯信号位于钙信号下游。综上，该研究揭示了一条“钙信号→乙烯信号→镉转运基因”的调控轴，为理解植物适应镉胁迫的信号网络提供了新视角，也为降低作物镉积累提供了潜在的分子靶点（图7）。

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图7.拟南芥根中Ca²⁺-乙烯信号适应Cd胁迫的模型示意图。Cd暴露诱导根中Ca²⁺信号，该信号作用于乙烯信号的上游。被激活的乙烯信号随后通过影响Cd的吸收、转运和液泡隔离来调控Cd响应，从而负向调控Cd耐受性。

参考文献：

[1] Ruiqi Ma, Runze Li, Yuqiu Lai, Yuying Liu, Qingyun Yan, Kaili Xue, Fengjiao Wang, Xiangkun Jiang, Yuntong Hou, Xiaona Yu, Min Xiong, Jing Lv, Changbo Dai, Qi Wu, Miaoyan Yang,A Ca²⁺–ethylene signaling cascade mediates cadmium-induced root growth inhibition in Arabidopsis,Environmental and Experimental Botany,Volume 249,2026,106419,ISSN 0098-8472,https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2026.106419.

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