河南农业大学“农田生产力绿色调控与功能性肥料”科技创新团队与“土壤培肥与耕地保育”科技创新团队在玉米响应镉、铈暴露的生理生化及分子机制研究方面取得重要进展，相关研究成果分别发表于生物生化与分子生物学、环境科学与生态学领域知名期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（JCR1区，中科院1区Top，IF=7.7）及《Ecotoxicology and Environmental Safety》（JCR1区，中科院2区，IF=6.2）。
稀土元素具有全球性的重要战略和经济意义。然而，稀土元素的广泛开发和应用，导致了其在环境中的过量积累。此外，稀土元素污染通常伴随着土壤中的重金属污染，这已成为突出的环境问题。目前，关于稀土和重金属共暴露对作物的毒性效应及生态功能的机制研究较少。铈（Ce）和镉（Cd）分别为稀土和重金属代表元素，本研究以玉米为供试对象，通过设置不同浓度Ce和Cd，探究Ce和Cd暴露对玉米生长的交互作用及毒性机制。研究结果表明，Cd和Ce均以剂量依赖的方式通过增强氧化应激损伤抑制了玉米的生长。Cd和Ce的共暴露对玉米生长具有复杂的交互作用。Ce能够提高叶绿素含量，同时减轻镉诱导的叶片黄化现象。与单独添加50 μM Cd处理相比，分别添加10 mg·L−1和100 mg·L−1 Ce显著增加了叶绿素a含量52.2%和50.2%。生理生化效应水平指数结果表明，Cd和Ce的主要相互作用模式为拮抗作用，高浓度的Cd和Ce共暴露的生态风险比单Ce更高。研究为稀土元素和重金属共暴露的毒理学效应提供了重要的见解，也为未来有关联合污染的环境风险研究和管理策略提供了指导。研究结果以“Elucidating the interaction and toxicity of cadmium and cerium on the growth of maize seedlings: Insights from morpho-physiological and biochemical analysis”为题于2025年3月20日在线发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。
鉴于高浓度的Cd和Ce共暴露所带来的高生态风险以及对玉米叶片显著的损伤，综合超微结构、生理生化、转录组学和分子响应，探究Cd和Ce暴露影响玉米生长的潜在机制。研究结果表明，Cd和Ce暴露通过破坏光合作用和叶绿素合成，引起了ROS失衡，导致了对玉米生长的抑制。然而，与单独的Cd暴露相比，Cd和Ce共暴露对玉米光合系统的影响较小，因其减少了嗜锇质球蛋白的产生。转录组学和分子对接分析表明，Cd和Ce共暴露存在拮抗作用。Ce有助于修复Cd暴露的叶片中的光系统，促进叶绿素的合成和光合作用。然而，对碳同化蛋白结构的干扰和对激素信号传导、AsA-GSH循环和苯丙素代谢途径的破坏导致了氧化应激，主要表现在活性氧（ROS）水平升高及金属解毒途径受损。基因共表达网络分析挖掘出关键基因SOT5（Zm00001eb327110），发现该基因与光合作用、ROS清除和激素信号传导有关，是开发抗逆作物品种的潜在基因。这项研究为玉米如何应对重金属和稀土元素毒性提供了新的见解，并强调了提高抗逆性的关键途径。研究结果以“Integrated ultrastructural, physiological and transcriptomic analyses uncover alterations in photosynthetic biomacromolecule structures by cadmium and cerium co-exposure and their regulation by hormone signaling and antioxidant pathways in maize”为题于2025年3月29日在线发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。
河南农业大学农业资源与环境2022级硕士研究生张辉红为上述论文的第一作者，姜瑛教授和柳海涛副教授为共同通讯作者。我院刘世亮教授、王祎教授、李岚涛副教授、李世莹博士为研究做出了重要贡献。该研究得到河南省自然科学基金（252300421203、242300420150）、河南省重点研发推广项目（252125612039）、河南省高校重点研究项目（24A210011）和国家重点研发项目（2021YFD1700904）等项目资助。
论文1链接：
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.118079
论文2链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142472
来源：河南农业大学
