硫酸锰（II）能够减轻水稻（Oryza sativa L.）中镉和砷的积累及其毒性：来自多组学调控机制的见解

《Journal of Hazardous Materials》：Manganese (II) sulfate mitigates cadmium and arsenic accumulation and toxicity in rice ( Oryza sativa L.): insights from multi-omics regulation mechanisms

硫酸锰有效缓解镉砷共污染对水稻的毒性，通过离子组学、转录组学和代谢组学分析揭示了直接竞争抑制镉转运和间接调控砷固定机制，并重构了植物矿物元素网络与代谢通路，显著提升产量并降低籽粒中重金属含量。

　　

赵鹏伟|秦静熙|吴丽|翟晓峰|司梦颖|杨伟春

中南大学冶金与环境学院，中国湖南省长沙市410083

摘要

镉（Cd）和砷（As）的化学性质不同，导致受这两种物质共同污染的稻田土壤对水稻安全和公共健康构成严重威胁。本研究首次证明了硫酸锰（MnSO₄）能够减轻镉和砷在水稻中的共同积累和毒性，并通过综合离子组学、转录组学和代谢组学分析阐明了其作用机制。在盆栽实验中，施用中等到高剂量的MnSO₄使糙米产量增加了208.78%-428.60%，同时将镉和砷的含量分别降低了4.89%-21.98%和60.65%-81.73%。MnSO₄通过直接竞争作用调节镉的分布，而砷的固定则受更复杂和间接的调控途径控制。MnSO₄还通过调控关键基因和金属转运蛋白来重塑矿物元素网络，从而限制镉和砷在稻谷中的积累：通过阻碍镉从根部向稻谷的转移以及砷从茎叶向稻谷的转移。转录组学和代谢组学分析进一步表明，Mn通过下调参与脂质过氧化和鞘脂代谢的关键途径来缓解镉-砷联合胁迫，从而增强细胞膜稳定性。总体而言，MnSO₄通过整合转运蛋白调控、离子组学重构和代谢适应机制来减轻水稻中的镉-砷联合胁迫。我们的发现为受污染地区保障水稻安全提供了一种有效方法。

引言

水稻是全球超过一半人口的主食，其安全生产对国民经济、民生和公共健康至关重要[1]。然而，全球工业化的加速和集约化农业实践的扩展导致农田土壤中镉（Cd）和类金属砷（As）等有毒重金属的污染日益严重[2]、[3]、[4]、[5]。水稻具有较高的镉和砷吸收能力，这种能力在厌氧生长条件和独特的生理过程中得到进一步增强，导致其籽粒中这些污染物的积累量远高于其他谷物[6]、[7]、[8]。长期食用受污染的水稻会带来严重的健康风险，包括肾功能障碍、骨质疏松症和多种癌症[9]、[10]。由于镉和砷在土壤中的生物地球化学循环以及植物吸收和转移机制存在根本性差异[11]、[12]，缓解措施变得更加复杂。这些物理化学性质和生物途径的差异阻碍了单一管理方法同时减少籽粒中这两种污染物的效果。因此，开发能够同时抑制镉和砷吸收与积累的综合策略已成为环境农业和食品安全领域的重要挑战。

鉴于传统物理化学修复方法的局限性，如成本高昂、对土壤的干扰较大以及培育低积累品种所需的时间较长[11]、[13]，农艺营养管理作为一种环保替代方案应运而生[14]、[15]、[16]、[17]。这种方法既经济高效又易于实施，符合绿色和可持续农业的原则，是减轻水稻中镉和砷污染的最可行策略之一。许多研究探讨了硅（Si）[18]、硒（Se）[19]、硫（S）[20]和锌（Zn）[21]等必需元素在减少水稻中重金属积累方面的效果。例如，硒已被证明可以通过多种机制减轻镉和砷的积累并缓解其毒性，包括调节抗氧化系统[22]、提高光合作用性能[23]、改变根系形态[24]、[25]、调控径向氧损失、强化根表面铁质层[26]以及调节金属转运蛋白的表达[27]。硅通过多种机制减轻镉和砷的毒性，包括调节抗氧化酶活性、促进重金属向液泡的积累以及参与共沉淀或螯合过程[28]、[29]、[30]、[31]。此外，硅还通过下调编码特定金属转运蛋白的基因表达来减少水稻对镉和砷的吸收[32]、[33]、[34]。

与上述元素相比，锰（Mn）在减轻重金属毒性方面具有独特优势。作为植物必需的微量元素，锰在光合作用和氮代谢等基本过程中起着重要作用[35]。此外，锰还是多种酶反应（如Mn-SOD）的关键辅因子，能够增强植物清除活性氧的能力，从而增强其整体抗氧化防御系统[36]、[37]。锰的吸收途径与镉、铁和锌的吸收途径相互作用，通过管理锰的营养可以间接减少重金属的吸收[38]、[39]。锰独特的氧化还原性质及其调节重金属吸收和转移途径的潜力可能使其在同时减少水稻中镉和砷的积累方面具有独特优势。先前的研究表明，硫酸锰（Mn(II)）可以影响土壤中铁-锰氧化物的形成，进而影响水稻对镉和砷的吸收[40]、[41]。尽管这表明了一个有前景的方向，但系统地应用MnSO₄来减少镉和砷的共同吸收仍缺乏研究，其作用机制尚不清楚。目前关于必需元素的研究往往仅限于描述它们的总体协同效应和表型结果，对于镉和砷的独特化学性质所决定的具体抑制机制缺乏明确解释，这严重阻碍了针对受污染稻田的针对性修复策略的开发。

本研究通过盆栽实验和综合多组学方法（包括离子组学、代谢组学、转录组学分析以及镉-砷转运蛋白表达分析），系统探讨了MnSO₄在减轻水稻中镉和砷共同污染方面的效果和机制基础。具体目标包括：（i）评估MnSO₄对水稻中镉和砷的转移、吸收和积累的影响；（ii）阐明MnSO₄对水稻离子组的调控作用及其与镉和砷吸收过程的相互作用；（iii）揭示MnSO₄缓解镉-砷联合胁迫的代谢途径和分子机制。通过综合生理和生化分析，本研究首次证明了MnSO₄通过不同机制减轻水稻中的镉和砷毒性。这种对不同途径的理解为在受污染稻田中开发基于锰的修复策略提供了科学依据，并为减少稻谷中重金属积累提供了定向方法。

土壤采集与表征

实验土壤取自中国湖南省浏阳市一个受镉和砷污染的废弃稻田表层（0-20厘米）。共采集500公斤新鲜土壤并运送到温室，手动去除杂质如碎屑和石块。土壤经风干、机械破碎后通过10目筛网筛选（2毫米）。土壤被归类为沙质土壤，pH值为5.63。分析结果显示以下特性：

MnSO₄处理对水稻生物量的影响

不同浓度Mn处理的水稻植株没有出现明显的形态变化，如畸形或坏死（图1a）。与对照组（CK）相比，Mn180和Mn360组的糙米干重分别增加了208.78%和428.60%（图1b）。根部和茎部的干重没有显著变化（图1c-d）。然而，Mn360组的叶片干重显著降低（降低了23.63%）（图1e）。这种变化模式与糙米相似

MnSO₄抑制水稻中镉吸收和转移的机制

在淹水稻田土壤中，硫酸盐还原和CdS沉淀取决于足够低的Eh值。通过这种途径有效固定镉通常需要Eh < -200 mV[43]。本研究中测得的土壤Eh值和pH值未达到这种强还原条件（图S11）。因此，在我们的实验条件下，通过化学沉淀固定镉的效果可能很小，这一结果与Qin等人的观察结果一致[40]。相反，MnSO₄

结论

本研究证明，MnSO₄通过多机制框架有效减轻了水稻中的镉和砷共同污染。我们发现MnSO₄采用不同策略来减少这两种污染物的积累：它直接与镉竞争吸收和转移途径，同时调控砷的固定过程。在生理层面上，MnSO₄改变了离子组谱型和转运蛋白表达

环境影响

稻田中镉和砷的共同污染是一个严重的环境问题，通过饮食暴露威胁水稻安全和人类健康。传统的修复技术通常成本高昂、对土壤干扰较大，且在同时减少这两种污染物方面效果有限。通过多组学方法的研究，我们发现MnSO₄能有效抑制镉和砷的吸收，同时重构离子组网络并重新编程关键代谢途径

作者贡献声明

赵鹏伟：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。秦静熙：方法设计、数据分析。吴丽：软件应用、方法设计、数据分析。翟晓峰：软件应用、方法设计。司梦颖：撰写、审稿与编辑、资源协调、方法设计、概念构建。杨伟春：撰写、审稿与编辑、结果验证、资源协调、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD1700101）、中国电力建设集团有限公司关键技术研究开发计划（DJ-ZDXM-2024-27）以及中国国家自然科学基金（42307032）的支持。