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重金屬脅迫是植物面臨的最重要的非生物脅迫之一。過(guò)量的重金屬會(huì )抑制植物基本的生理活動(dòng)，破壞代謝過(guò)程，損害細胞結構和功能，導致植物生長(cháng)停滯甚至死亡。植物自身能通過(guò)由許多小分子物質(zhì)或蛋白參與的螯合、抗氧化和區室化作用等解毒過(guò)程來(lái)應對重金屬，從中發(fā)掘的一些重要的代謝物可以外用來(lái)緩解重金屬對植物的毒性。

煙酰胺是生物體中輔酶I和輔酶II的組成部分，在植物中參與對氧化脅迫的響應。少量研究報道了外源煙酰胺能夠促進(jìn)植物對重金屬的耐受性，但對其作用機制知之甚少。中國科學(xué)院昆明植物研究所資源植物與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室許建初研究團隊發(fā)現重金屬鎘Cd脅迫會(huì )誘導水生植物大薸（Pistia stratiotes?L.）中煙酰胺含量上升，而外源添加適宜濃度的煙酰胺（200 μM）能有效緩解Cd（10 mg L-1）對大薸的毒害。在此基礎上，研究團隊整合了植物生理學(xué)、轉錄組學(xué)和代謝組學(xué)方法對外源煙酰胺緩解植物中Cd毒性的機制進(jìn)行深入研究。

研究結果表明，外源煙酰胺啟動(dòng)了一系列生理、轉錄和代謝反應來(lái)減輕Cd對大薸光合作用的抑制和氧化脅迫。煙酰胺處理促進(jìn)了Cd從大薸根部向葉片的轉移，減輕了根部的Cd損傷。轉移到大薸葉片中的Cd沒(méi)有產(chǎn)生進(jìn)一步的毒性，因為大量的Cd被隔離在細胞壁中，這可能是由木質(zhì)素合成介導的。同時(shí)，煙酰胺處理還能通過(guò)誘導關(guān)鍵基因（如Chlorophyll A-B binding protein和PSII repair protein編碼基因）修復Cd脅迫下葉片的光系統II，從而維持葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）。此外，葉片中抗氧化酶（如POD和CAT）活性和抗氧化物質(zhì)（如Stachydrine和Curculigoside）的合成也被誘導以抵抗氧化脅迫。

該研究促進(jìn)了對植物—重金屬互作機制的理解，為提高植物對重金屬的耐受性提供了理論基礎。研究結果以Integrated ultrastructural,physiological,transcriptomic,and metabolomics analysis uncovers the mechanisms by which nicotinamide alleviates cadmium toxicity in Pistia stratiotes L.為題發(fā)表在國際期刊Journal of Hazardous Materials。中國科學(xué)院昆明植物研究所李雄博士為論文第一作者，許建初研究員為論文通訊作者，科研助理胡娜、楊婷工程師和多名研究生（李燕雙、唐海生和黃旭梅）參與了該項工作。研究得到了中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )（2020387）和云南省科學(xué)技術(shù)廳項目（202302AE090023、202205AM070007和202201AT070185）的支持。

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圖1?論文的Graphical abstract

圖2?外源煙酰胺對大薸吸收和轉運Cd的影響