氢化镁减少水稻镉毒性表观遗传学机制

研究亮点

- MgH2释放的H2能够缓解镉（Cd）对水稻幼苗生长的抑制。

- m6A甲基化是Cd胁迫和H2保护作用在水稻中的关键机制。

- 蛋白激酶和钙信号调节是H2缓解水稻Cd胁迫的核心。

- H2显示出在减轻水稻中镉积累方面的潜在应用前景。

摘要

镉（Cd）污染对作物产量和人类健康构成了重大威胁。尽管已有报道镁氢化物（MgH2）作为氢气（H2）供体，在重金属污染下促进植物生长，但其在水稻中的作用尚不明确。本研究中，选用了粳稻品种中华11号（ZH11）的幼苗，并通过水培法用20 µL的1-mol/L氯化镉（CdCl2）溶液模拟Cd胁迫。同时，向实验组缓慢释放0.1 mg的MgH2，以探索其在2周内对水稻的潜在影响。结果表明，Cd暴露严重抑制了ZH11水稻幼苗的生长和发育。然而，通过MgH2缓慢释放的外源性H2有效地缓解了这种抑制作用，通过恢复活性氧物种（ROS）平衡、维持内源性H2稳态和支持光合作用系统。高效液相色谱分析显示，在Cd胁迫下，外源性H2降低了mRNA中的m6A RNA甲基化水平。因此，进行了MeRIP-seq分析，以探讨在有无H2的情况下Cd暴露对水稻的影响。发现m6A修饰富集于起始密码子、终止密码子和3′UTR区域。结合RNA-seq数据，鉴定出118个在Cd胁迫下差异甲基化和表达的基因，这些基因注释与ROS、生物应激和激素应答相关。值得注意的是，在有H2存在的情况下，鉴定出297个在Cd胁迫下差异甲基化和表达的基因，这些基因与重金属、蛋白激酶和钙信号调节相关。Cd强烈激活MAPK途径以应对胁迫。外源性H2通过降低m6A水平减少Cd积累，并增强植物的耐受性和稳态，从而降低这些基因的mRNA稳定性。我们的发现表明，MgH2通过提供H2，通过m6A RNA甲基化调控基因表达，赋予水稻Cd耐受性。本研究为研究植物中重金属污染的修复提供了潜在的候选基因。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球重要的粮食作物之一，在确保粮食安全和促进经济发展方面发挥着不可替代的作用。然而，随着工业化的快速发展，环境污染，特别是重金属污染日益突出，给水稻种植带来了严峻挑战。镉（Cd）是一种有毒的重金属，对水稻有多种不利影响。它可以通过根系进入植物并在各个部位积累，特别是在谷物中。土壤中Cd的高生物利用度及其在植物体内的积累不仅对水稻造成相当大的生长压力，降低产量和质量，还通过食物链对人类健康构成威胁。长期食用受Cd污染的大米可能导致严重的健康问题，如肾损伤。因此，减少水稻中Cd的积累并开发环境友好的解决方案以缓解Cd毒性至关重要。

氢气（H2），作为一种清洁能源，因其高效、清洁和可再生的特点而成为一种有前景的解决方案[4],[5]。氢气在自然界中丰富，可通过多种方法获得，如水解和生物发酵。值得注意的是，其燃烧只产生水而不产生任何污染物，使其非常环保[6],[7]。近年来，H2在生物学研究中取得了显著进展，特别是在提高植物抗性方面[8]。例如，一项关于卷心菜幼苗中Cd积累的研究发现，富含H2的水（HRW）在Cd富集环境中抑制了Cd吸收转运蛋白（BcIRT1和BcZIP2）的表达[9]。此外，H2可以通过上调硝酸还原酶的表达和活性来缓解Cd对油菜的毒性作用[10]。尽管H2在农业中有所应用，但由于其在水中的低溶解度和短停留时间，其应用面临挑战[11]。为了解决这些限制，科学家们探索了镁氢化物（MgH2）作为储氢和释氢材料。MgH2被认为是高效的，因为它具有高储存容量、低成本、安全性以及在室温和压力下的稳定性[11]。它通过一个简单的反应释放H2，副产品是无害的镁，使其成为一个理想的缓释系统。以前的研究表明，从MgH2缓慢释放的H2通过调节一氧化氮途径增强了苜蓿对铜（Cu）毒性的抗性，为固体H2材料在农业中的应用开辟了新的窗口[8]。然而，直接证据表明MgH2释放的H2对水稻生长和Cd吸收的影响仍不清楚。此外，大多数当前关于H2抗性的研究集中在生理学、基因表达和激素变化上，对于RNA表观遗传修饰的参与和调控知之甚少。

在正常生长条件下，植物体内自由基的产生与清除保持动态平衡，这对维持植物的生理生化环境至关重要。然而，当植物暴露于镉（Cd）胁迫下时，这种平衡被打破，导致氧自由基和活性氧物种（ROS）的大量积累。这些过量的ROS可以破坏细胞膜和叶绿体结构，引起脂质过氧化并扰乱正常的生理生化环境。丙二醛（MDA）作为膜脂质过氧化的产物，可以用作评估植物在胁迫条件下过氧化损伤程度的指标。此外，由超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）组成的保护性酶系统是植物中有效的自由基清除机制，减轻应激对细胞膜结构的损害。最近的研究表明，MgH2有助于在苜蓿中重建铜（Cu）胁迫下的氧化还原平衡，表明MgH2有潜力缓解受金属胁迫作物的氧化损伤。然而，MgH2在调节水稻中Cd胁迫下的氧化损伤的具体机制仍需进一步研究。

N6-甲基腺嘌呤（m6A）RNA甲基化是真核生物mRNA上最丰富的化学修饰之一。通过影响mRNA的稳定性、剪接、翻译和降解，它调控基因表达并在植物的生长、发育和应激反应中发挥关键作用。最近越来越多的研究关注m6A在植物对重金属胁迫反应中的潜在作用，发现m6A修饰可能通过影响特定基因的表达来调节植物的耐受性，这些基因参与次生代谢和激素合成。MeRIP-seq（m6A-RNA免疫沉淀测序）是一种用于检测RNA上m6A修饰位点的技术。使用MeRIP-seq，研究人员获得了感染两种毁灭性病毒的水稻植株的m6A甲基化组数据。与RNA-seq的联合分析显示，在植物病毒感染期间，m6A修饰水平被激活，并与不活跃表达的基因相关联，这表明m6A修饰在植物-病毒互作中的重要性。MeRIP-seq的发展使得更深入地了解水稻在Cd胁迫下基因表达的调控机制以及m6A修饰如何影响对Cd胁迫的适应和耐受成为可能。以前的研究观察到，在Cd胁迫下，根瘤菌通过m6A RNA甲基化促进大豆根系生长，并鉴定了许多与钙离子相关的候选基因。在Cd胁迫下大麦根部映射m6A修饰显示，Cd胁迫降低了根部基因的m6A甲基化水平，且与离子运输和信号转导相关的基因与m6A呈正相关。这些研究提供了更全面的关于m6A在植物重金属胁迫中的作用机制以及植物在重金属胁迫下的复杂生物学过程的视角。

在此，MgH2被用作缓释H2源处理镉胁迫下的粳稻。研究发现，外源性MgH2维持水稻内的H2和ROS平衡，减少Cd积累。此外，还通过MeRIP-seq绘制了在Cd胁迫下经H2处理的水稻幼苗的m6A甲基化组图谱。我们发现，随着内部H2水平的变化，水稻幼苗中的m6A修饰水平和基因表达发生变化。本研究不仅突出了MgH2缓释H2对镉胁迫下水稻生长的缓解作用，还为H2在植物应激反应和重金属污染缓解中的作用提供了新的见解。