褪黑素通过RsWRKY26-RsHIPP26-RsASMT2模块介导萝卜主根中铅积累的减少

《Journal of Hazardous Materials》：Melatonin Mediates Lead Accumulation Reduction via the RsWRKY26-RsHIPP26-RsASMT2 Module in Radish taproot

　　铅污染对萝卜生长和食用的危害及褪黑素介导的分子调控机制。通过RNA测序鉴定到11265个lncRNA和4730个lncRNA-PC基因对，揭示RsWRKY26通过结合RsHIPP26和RsASMT2启动子激活转录，促进褪黑素合成及铅积累的协同降低。实验验证了该模块在酵母和拟南芥中的功能，为萝卜低铅遗传改良提供新策略。

　　在当今全球范围内，重金属污染已成为影响生态环境和人类健康的重要问题。其中，铅（Pb）作为一种常见的环境污染物，对植物的生长和发育具有显著的抑制作用。尤其是在根茎类蔬菜作物中，铅的积累不仅影响作物的品质和安全性，还可能通过食物链对人类健康构成威胁。因此，如何有效调控植物对铅的吸收和积累，成为农业科研领域的重要课题。

近年来，研究发现植物体内某些天然化合物，如褪黑素（Melatonin，MT），能够显著降低重金属的毒性效应。褪黑素作为一种广泛存在于生物体内的激素，不仅参与植物的生长发育，还在应对非生物胁迫，如重金属污染、低温和干旱等方面发挥重要作用。在一些作物中，外源褪黑素的应用已被证实能够改善植物对重金属的耐受性，例如在柑橘中，褪黑素的使用通过维持氧化还原平衡，提高了植物对干旱的适应能力；在棉花中，褪黑素则通过增强超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，缓解镉（Cd）胁迫。然而，关于褪黑素在铅胁迫下的作用机制，尤其是在萝卜这一重要作物中的研究仍较为有限。

本研究聚焦于萝卜（*Raphanus sativus*）这一重要的根茎类蔬菜作物，探讨褪黑素如何通过调控特定基因表达，从而减少铅的积累。研究团队首先对萝卜的低铅积累基因型“NAU-YH”进行了系统的实验处理，包括在铅胁迫（200 mg/L Pb(NO?)?）下观察其生长变化，并在处理过程中施加不同浓度的褪黑素（0, 10, 25, 50, 100, 150 μM）。通过这一系列处理，研究人员发现褪黑素能够显著降低萝卜根部的铅含量，从而提升作物的安全性。

在基因层面，研究团队利用高通量测序技术，对萝卜在不同处理条件下的转录组进行了深入分析。他们识别出11,265个长链非编码RNA（lncRNAs），并进一步将其分为长间隔非编码RNA（lincRNAs）、反义非编码RNA（antisense lncRNAs）和内含子非编码RNA（intronic lncRNAs）。这些lncRNAs在萝卜对铅胁迫的响应中扮演了关键角色，尤其是在调节重金属相关基因的表达方面。研究人员还发现，其中一些lncRNAs与Pb相关蛋白编码基因（PC基因）形成调控对，共计4730对。这些调控对的存在表明，lncRNAs在铅胁迫下的基因调控网络中具有重要作用。

进一步的功能分析表明，某些lncRNAs的表达变化与铅的积累密切相关。例如，TCONS_00123952这一lncRNA通过靶向调控RsHIPP26基因的表达，显著降低了酵母细胞中的铅含量。这一发现不仅揭示了lncRNAs在重金属胁迫中的潜在调控机制，也为理解植物体内复杂的基因调控网络提供了新的视角。同时，研究人员还发现，RsHIPP26基因在萝卜和拟南芥中的过表达均能有效减少根部的铅积累，这表明该基因可能在不同植物物种中具有相似的调控功能。

在调控机制方面，研究团队通过酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶（DLA）实验，验证了RsWRKY26这一转录因子能够直接结合到RsASMT2和RsHIPP26基因的启动子区域，并激活其转录。这一结果表明，RsWRKY26在铅胁迫下的基因调控中起着关键作用。此外，RsWRKY26的过表达不仅增强了RsASMT2的表达，还进一步降低了萝卜根部的铅含量，这说明RsWRKY26可能通过调控褪黑素合成相关基因，从而发挥其在铅胁迫下的保护作用。

RsASMT2作为褪黑素合成的关键酶之一，在本研究中被发现与铅的积累存在密切关联。当RsASMT2在拟南芥中过表达时，其不仅促进了活性氧（ROS）的清除，还显著降低了根部的铅含量。这一结果表明，RsASMT2可能通过增强植物的抗氧化能力，间接减少铅的毒性效应。同时，研究人员还发现，在铅胁迫条件下，RsHIPP26基因的表达受到褪黑素的调控，这进一步支持了褪黑素在植物体内对重金属吸收和转运的干预作用。

综合来看，本研究揭示了一个由褪黑素调控的新型基因模块——RsWRKY26-RsHIPP26-RsASMT2。这一模块通过协调调控多个基因的表达，有效降低了萝卜根部的铅积累。具体而言，RsWRKY26作为核心调控因子，能够直接激活RsASMT2和RsHIPP26的表达，从而促进褪黑素的合成，并通过RsHIPP26的调控作用，减少铅的吸收和转运。这一发现不仅为理解植物体内铅胁迫的分子机制提供了新的视角，也为通过基因工程技术改良作物的重金属吸收特性提供了理论依据。

在实际应用层面，这一研究结果具有重要的农业和环境意义。首先，通过基因工程手段，可以定向改良萝卜等作物的重金属吸收特性，从而培育出低铅含量的优质品种。这对于提高食品安全、减少重金属对人类健康的威胁具有重要意义。其次，褪黑素作为一种天然化合物，其在植物体内的应用不仅能够减少重金属污染，还可能通过其抗氧化特性，改善作物的生长状况和产量。因此，未来的研究可以进一步探索褪黑素在不同作物中的应用潜力，以及如何通过调控相关基因网络，实现更高效的重金属污染防控。

此外，研究还强调了长链非编码RNA在植物应对环境胁迫中的重要作用。lncRNAs作为一种新型的调控因子，能够通过多种机制影响基因表达，包括直接调控靶基因的转录、参与染色质修饰、介导RNA干扰等。在本研究中，lncRNAs不仅作为铅胁迫的响应因子，还通过与PC基因的相互作用，形成复杂的调控网络。这一发现表明，lncRNAs在植物的重金属胁迫响应中可能具有更广泛的调控功能，未来的研究可以进一步探索其在其他环境胁迫中的作用。

在环境治理方面，铅污染的治理需要多方面的努力。一方面，通过改良作物的基因型，减少铅的吸收和积累，可以在源头上降低重金属对食品链的污染风险；另一方面，合理利用植物自身的抗逆机制，如褪黑素的合成和调控，可以作为一种绿色、可持续的解决方案。此外，随着工业化的加速和人类活动的增加，重金属污染的范围和程度正在不断扩大，因此，对植物抗重金属机制的深入研究具有重要的现实意义。

本研究的成果不仅有助于理解植物对铅胁迫的分子响应机制，还为农业生产中的重金属污染防控提供了新的思路。通过识别和调控关键基因，如RsASMT2、RsHIPP26和RsWRKY26，可以有效提升作物的抗逆能力，减少重金属对植物生长的负面影响。同时，这一研究也为未来基因工程育种提供了重要的理论支持和技术手段，使农业生产能够更加安全、高效地应对重金属污染的挑战。

综上所述，本研究通过系统分析萝卜在铅胁迫下的基因表达变化，揭示了褪黑素在调控铅积累中的关键作用。研究发现，RsWRKY26-RsHIPP26-RsASMT2这一基因模块能够协调降低萝卜根部的铅含量，为作物改良和环境治理提供了新的策略。未来的研究可以进一步探索这一模块在不同作物中的应用潜力，以及如何通过基因工程技术实现更广泛的重金属污染防控。同时，随着对lncRNAs和相关调控网络的深入研究，我们有望发现更多与重金属胁迫响应相关的基因，从而为农业可持续发展和食品安全保障做出更大贡献。