河南農業大學“農田生產力綠色調控與功能性肥料”科技創新團隊與“土壤培肥與耕地保育”科技創新團隊在玉米響應鎘、鈰暴露的生理生化及分子機制研究方面取得重要進展，相關研究成果分別發表于生物生化與分子生物學、環境科學與生態學領域知名期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（JCR1區，中科院1區Top，IF=7.7）及《Ecotoxicology and Environmental Safety》（JCR1區，中科院2區，IF=6.2）。

稀土元素具有全球性的重要戰略和經濟意義。然而，稀土元素的廣泛開發和應用，導致了其在環境中的過量積累。此外，稀土元素污染通常伴隨著土壤中的重金屬污染，這已成為突出的環境問題。目前，關于稀土和重金屬共暴露對作物的毒性效應及生態功能的機制研究較少。鈰（Ce）和鎘（Cd）分別為稀土和重金屬代表元素，本研究以玉米為供試對象，通過設置不同濃度Ce和Cd，探究Ce和Cd暴露對玉米生長的交互作用及毒性機制。研究結果表明，Cd和Ce均以劑量依賴的方式通過增強氧化應激損傷抑制了玉米的生長。Cd和Ce的共暴露對玉米生長具有復雜的交互作用。Ce能夠提高葉綠素含量，同時減輕鎘誘導的葉片黃化現象。與單獨添加50 μM Cd處理相比，分別添加10 mg·L?1和100 mg·L?1 Ce顯著增加了葉綠素a含量52.2%和50.2%。生理生化效應水平指數結果表明，Cd和Ce的主要相互作用模式為拮抗作用，高濃度的Cd和Ce共暴露的生態風險比單Ce更高。研究為稀土元素和重金屬共暴露的毒理學效應提供了重要的見解，也為未來有關聯合污染的環境風險研究和管理策略提供了指導。研究結果以“Elucidating the interaction and toxicity of cadmium and cerium on the growth of maize seedlings: Insights from morpho-physiological and biochemical analysis”為題于2025年3月20日在線發表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

鑒于高濃度的Cd和Ce共暴露所帶來的高生態風險以及對玉米葉片顯著的損傷，綜合超微結構、生理生化、轉錄組學和分子響應，探究Cd和Ce暴露影響玉米生長的潛在機制。研究結果表明，Cd和Ce暴露通過破壞光合作用和葉綠素合成，引起了ROS失衡，導致了對玉米生長的抑制。然而，與單獨的Cd暴露相比，Cd和Ce共暴露對玉米光合系統的影響較小，因其減少了嗜鋨質球蛋白的產生。轉錄組學和分子對接分析表明，Cd和Ce共暴露存在拮抗作用。Ce有助于修復Cd暴露的葉片中的光系統，促進葉綠素的合成和光合作用。然而，對碳同化蛋白結構的干擾和對激素信號傳導、AsA-GSH循環和苯丙素代謝途徑的破壞導致了氧化應激，主要表現在活性氧（ROS）水平升高及金屬解毒途徑受損。基因共表達網絡分析挖掘出關鍵基因SOT5（Zm00001eb327110），發現該基因與光合作用、ROS清除和激素信號傳導有關，是開發抗逆作物品種的潛在基因。這項研究為玉米如何應對重金屬和稀土元素毒性提供了新的見解，并強調了提高抗逆性的關鍵途徑。研究結果以“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”為題于2025年3月29日在線發表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。

河南農業大學農業資源與環境2022級碩士研究生張輝紅為上述論文的第一作者，姜瑛教授和柳海濤副教授為共同通訊作者。我院劉世亮教授、王祎教授、李嵐濤副教授、李世瑩博士為研究做出了重要貢獻。該研究得到河南省自然科學基金（252300421203、242300420150）、河南省重點研發推廣項目（252125612039）、河南省高校重點研究項目（24A210011）和國家重點研發項目（2021YFD1700904）等項目資助。

論文1鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.118079

論文2鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142472

來源：河南農業大學