防御蛋白AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在拟南芥中调控镉的积累和植物生长

《Plant Phenomics》：Defensin proteins AtPDF1.2A and AtPDF1.2C mediate cadmium accumulation and plant growth in Arabidopsis

　　本研究鉴定了Arabidopsis中两种镉（Cd）诱导型defensin蛋白AtPDF1.2A和AtPDF1.2C，发现其通过胞质和细胞壁定位，参与Cd在木质部中的转运与 shoots累积调控。AtPDF1.2A过表达增强Cd耐受性但促进根部Cd积累，突变体则减少 shoots Cd含量。AtPDF1.2C过表达显著增加shoots Cd含量，突变体无显著影响。两者均具有镉螯合活性，但功能分化明显，AtPDF1.2A主导Cd根系固定而AtPDF1.2C调控长距离运输。

　　镉是一种有毒且非必需的元素，对所有生物体都具有潜在的危害。在植物中，镉的积累不仅影响其生长发育，还可能通过食物链威胁人类健康和食品安全。因此，深入研究镉在植物体内的积累机制及其调控方式，对于理解植物如何应对镉污染以及开发相关农业对策具有重要意义。本研究聚焦于拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）中的两种防御素蛋白，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C，探讨它们在镉运输过程中的作用。

在植物的木质部汁液中，镉通常以Cd2?离子形式或与蛋白质形成的螯合物形式存在，这种运输方式对植物体内的镉积累起到关键作用。然而，此前对于拟南芥中具体参与这一过程的蛋白质尚不清楚。本研究通过蛋白质组学分析，首次在拟南芥木质部汁液中鉴定了八种镉诱导的防御素蛋白，并进一步研究了AtPDF1.2A和AtPDF1.2C的功能。结果表明，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C的表达水平在镉胁迫下显著升高，并且这两种蛋白主要定位于细胞质和细胞壁。在异源表达系统中，AtPDF1.2A表现出增强酵母细胞对镉的耐受能力，而AtPDF1.2C则没有这一效应。尽管两者均能显著降低酵母和大肠杆菌中的镉含量，但其在植物体内的功能表现则更为复杂。

在植物体内，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C对镉的运输和积累具有不同的调控作用。AtPDF1.2A的过表达导致根部镉含量增加，而其突变体则减少了茎部的镉积累，表明AtPDF1.2A在根部镉的固定和运输中起关键作用。相反，AtPDF1.2C的过表达促进了镉从根部向茎部的转运，导致茎部镉含量上升，但并未显著影响植物的镉耐受性。这些结果表明，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在拟南芥中可能通过不同的机制调控镉的积累和运输。

进一步的体外实验表明，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C均具有镉螯合能力，这与它们在细胞质和细胞壁中的定位相吻合。通过亲和纯化和ICP-MS分析，研究人员确认了这两种防御素蛋白能够显著减少细胞内的镉含量，支持其在镉处理中的功能角色。此外，AtPDF1.2A的过表达不仅影响了镉的积累，还改变了其他金属的分布，如锰、锌、硼和钙，这表明其可能在植物的金属稳态调控中具有更广泛的作用。相比之下，AtPDF1.2C虽然也参与镉的运输，但其对植物镉耐受性的直接影响不明显。

在植物生长方面，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C的表达对植物的生长发育产生不同影响。AtPDF1.2C在正常生长条件下促进植物生长，其过表达提高了地上部生物量，而突变体则表现出生长受限。然而，在镉胁迫下，AtPDF1.2C的表达并未显著改变植物的镉敏感性，这与体外实验中观察到的镉减少效应形成对比。相比之下，AtPDF1.2A在正常条件下虽然促进植物生长，但在镉胁迫下表现出更高的敏感性，这可能与其在细胞质中对镉的螯合作用有关。这些结果表明，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在植物生长和镉耐受性之间存在一定的平衡关系。

本研究还揭示了AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在植物中的定位特征。通过共聚焦显微镜和亚细胞分离实验，研究人员发现这两种防御素蛋白主要分布在细胞质和细胞壁，这一特性有助于它们在镉运输过程中的作用。此外，AtPDF1.2A的过表达不仅影响了镉的积累，还可能通过调控其他金属的运输和分布，对植物的整体金属稳态产生影响。而AtPDF1.2C则主要参与镉从根部向茎部的转运，其表达水平的改变对镉的积累模式产生明显影响。

研究还发现，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在植物中的表达水平存在差异。AtPDF1.2A的表达量高于AtPDF1.2C，这可能与其在镉运输中的主要作用有关。此外，AtPDF1.2C的表达可能受到其他防御素蛋白的补偿作用，从而在突变体中未表现出明显的镉积累异常。这些发现为理解镉在植物体内的运输机制提供了新的视角，并为未来研究植物如何调控重金属积累与耐受性奠定了基础。

在实际应用中，这些防御素蛋白可能成为开发镉污染治理策略的重要靶点。通过调控AtPDF1.2A和AtPDF1.2C的表达，可以影响植物对镉的吸收、运输和积累，从而减少其在可食用组织中的含量，提高作物的安全性。此外，研究还表明，这些防御素蛋白可能在植物的生长调控中发挥作用，这为利用它们改善作物产量提供了潜在的可能性。然而，由于AtPDF1.2A和AtPDF1.2C的功能可能存在一定的冗余性，进一步的研究需要探讨它们在不同环境条件下的协同作用。

综上所述，AtPDF1.2A和AtPDF1.2C在拟南芥中表现出不同的功能特性。AtPDF1.2A主要参与镉在根部的固定和运输，其过表达增加了根部镉含量，而突变体则减少了茎部的镉积累。AtPDF1.2C则主要促进镉从根部向茎部的转运，但其对镉耐受性的直接影响不明显。这些结果不仅丰富了我们对植物镉积累分子调控机制的理解，还为未来研究植物防御素蛋白在重金属处理中的作用提供了新的方向。通过进一步探索这些蛋白质的调控网络及其与其他金属运输蛋白的相互作用，有望为农业可持续发展和食品安全提供新的解决方案。