近日，河南农业大学夏宗良课题组在《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为“The transcription factor ZmbHLH105 confers cadmium tolerance by promoting abscisic acid biosynthesis in maize”的研究论文。本研究挖掘并解析了玉米转录因子bHLH105基因应对镉胁迫的分子调控机制，展示了外源 ABA 在应对镉胁迫中的潜在应用价值，为开发抗镉农作物品种提供了新思路。
本研究首次揭示了 bHLH 型转录因子 ZmbHLH105 在镉胁迫下的作用机制，证实其通过激活 ZmNCED1 和 ZmNCED2 基因的转录，提高内源 ABA 水平，增强玉米对镉的耐受性。ZmbHLH105 通过提升 ABA 水平，不仅增强了植物清除活性氧（ROS）的能力，还促进了木质素的合成和细胞壁的加厚，从而抑制了根部对镉的吸收。此外，研究发现外源 ABA 能进一步放大 ZmbHLH105 介导的镉耐受效应，尤其是木质素积累和细胞壁加厚的增加。ZmbHLH105 直接结合在 ZmNCED1/2 启动子区域，激活其转录，进而提高了 ABA 水平，增强镉耐受性。ZmbHLH105 过表达株系木质素合成显著增加，而其 RNAi 干扰则削弱了这一效应，且 ZmbHLH105 过表达抑制了镉运输相关基因的表达，减少了根部镉的积累。该研究揭示了 ZmbHLH105 在增强植物镉耐受性中的关键作用，并为培育低镉积累作物提供了新的分子调控途径。
镉（Cd）是一种广泛存在且极具危害性的环境污染物，对植物的生长和发育产生不利影响。在高等植物中，镉的积累会导致根系伸长受阻、养分吸收紊乱、光合作用受损、生殖发育障碍以及产量下降。此外，镉还会引发氧化胁迫，破坏细胞结构，最终导致细胞死亡。在中国，约有7%的可耕地受到镉污染，这对食品安全构成了严重威胁。因此，开发低镉积累的作物品种对于减少这些潜在危害至关重要。开发低镉积累的作物品种对于减少这些潜在危害至关重要。为实现这一目标，识别和利用关键的耐镉基因并阐明其功能机制具有重要意义。
bHLH型转录因子在调控植物的胁迫反应中发挥着重要作用，已被证明能够调节模式植物和作物植物对镉毒性的耐受性。然而，bHLH型转录因子在玉米应对镉胁迫中的具体作用机制仍不明确。
为探究ZmbHLH10对镉胁迫的响应，该团队检测了玉米在0.5 mM CdCl₂处理下根部和叶片中ZmbHLH105的转录水平。结果显示，随着镉胁迫时间的延长，ZmbHLH105的相对转录水平显著上升。叶片中，该基因在24小时内保持稳定，随后显著增加，并在72小时内维持高水平；而根部在72小时后达到峰值，较基线增加了60%。启动子活性分析显示，ProZmbHLH105-GUS在镉胁迫36小时后染色显著增强，定量结果确认了Cd诱导表达的显著上调。亚细胞定位发现，ZmbHLH105信号仅限于细胞核，进一步证实其作为转录因子的功能。
为了评估ZmbHLH105在镉耐受性中的作用，深入表征了三条过表达系（OE-1至OE-3）和三条RNA干扰系（RNAi-1至RNAi-3）。在不同浓度的CdCl₂处理下，RNAi幼苗在1.0 mM CdCl₂条件下表现出显著的生长抑制、叶片萎蔫和根部退化，而OE幼苗仅受到轻微抑制。生理参数分析显示，OE系在叶绿素含量、根长和生物量等指标上显著优于WT和RNAi系，表明ZmbHLH105的过表达显著增强了镉耐受性，而其抑制则降低了玉米的耐胁迫能力。这些结果为ZmbHLH105在镉胁迫响应中的关键作用提供了重要依据。
研究表明，bHLH转录因子通过与保守的G-box cis 元件结合，调控靶基因的表达。分析了ZmNCED1、2、6和7的2000 bp启动子序列，发现ZmNCED1有四个G-box，ZmNCED2有两个，ZmNCED6有七个，ZmNCED7有一个。通过酵母单杂交（Y1H）实验，确认ZmbHLH105能够结合ZmNCED1和ZmNCED2的启动子区域，而对ZmNCED6和ZmNCED7则未表现出结合能力。随后进行的瞬时双荧光素酶测定显示，ZmbHLH105与proZmNCED1和proZmNCED2共表达时，分别引发90%和50%的荧光信号增强，证明ZmbHLH105能够激活这两个基因的转录。
研究结果表明，ZmbHLH105介导的玉米幼苗对镉胁迫的耐受性与ABA水平密切相关。RNAi植株表现出显著的叶绿素损失和细胞损伤，提示其ABA水平不足。为验证此假设，10天龄的WT、OE和RNAi玉米幼苗在Cd或Cd加外源ABA的条件下培养5天。结果显示，Cd处理导致叶绿素褪色和根系生长抑制，但在所有基因型中，尤其是两个RNAi系，通过外源ABA施用显著缓解了这些症状。生理参数分析（鲜重、根长、叶绿素含量及MDA水平）进一步支持了这一发现，表明ZmbHLH105介导的镉耐受性依赖于ABA。
细胞壁被认为是防止镉进入根细胞的主要屏障。通过扫描电子显微镜观察，发现ZmbHLH105 OE和RNAi玉米幼苗在非胁迫、镉和镉+ABA条件下的根部木质部结构发生显著变化。镉胁迫下，木质部细胞结构出现严重破坏，且所有基因型的细胞壁明显增厚。在镉+ABA条件下，受损的细胞结构得到缓解，细胞壁厚度较对照组和单独镉处理组显著增加。特别地，OE系在镉和镉+ABA条件下的木质部细胞损伤程度均低于RNAi和WT幼苗。外源ABA的施用显著提高了镉胁迫下各基因型玉米幼苗根部细胞壁的厚度，OE系的增厚程度尤为显著。这些结果结合木质素含量分析，表明ZmbHLH105介导的镉耐受性与ABA促进的木质素沉积和细胞壁增厚密切相关，从而形成质外体屏障，阻碍镉的进入。
本研究通过表型、生理和分子实验证实，bHLH型转录因子ZmbHLH105通过激活NCED1/2的转录，导致镉胁迫下玉米植株内源ABA水平增加。增加的ABA水平增强了活性氧（ROS）的清除能力，促进了木质素沉积和细胞壁增厚，抑制了玉米根部对镉的吸收。结果表明，ZmbHLH105的过表达显著提高了玉米对镉胁迫的耐受性，揭示了其通过ABA依赖性途径赋予镉耐受的机制。这一发现为开发低镉积累作物品种提供了重要的理论基础，具有在镉污染地区种植的潜力。
