镉（Cd）污染会导致作物产量下降，并对人类健康构成威胁，因此成为一个重要的环境和农业安全问题。硒[Se(IV)]已被证实能缓解植物中的镉胁迫；然而，硒介导的镉毒性保护机制仍不明。本研究通过生理生化及转录组学分析，探讨了硒(IV)缓解草莓植株镉毒性的生理与分子机制。研究结果显示，叶面喷施Se(IV)可提高光合作用效率，通过增强抗氧化酶活性和可溶性糖含量，减轻Cd诱导的氧化损伤，从而提升Cd胁迫耐受性。转录组学分析揭示了477个共同差异表达转录本（DATs），主要富集于转运活性、氧化还原酶功能及抗氧化相关过程。值得注意的是，参与镉外排、螯合、次生代谢物运输和营养吸收的7个关键基因（FvPCR9-like、FvCBP-like、FvWAT1-like、FvMOT1、FvYW_6g02140、FvNRT2.1和FvZIP8）在Se(IV)和镉处理下表现出相反的表达模式。Se(IV)的补充还调节了植物激素信号传导、氮代谢和碳代谢途径，为缓解Cd诱导的生理紊乱提供了多维度策略。本研究为Se(IV)介导的Cd胁迫适应提供了新见解，并为开发低Cd积累作物提供了有前景的策略，以应对重金属污染相关的关键环境和农业挑战。
论文ID
实验设计
结果
1 Se(IV)缓解了草莓中镉毒性引起的生长抑制
研究者首先研究了Se(IV)处理对镉胁迫下植物生长的影响。与对照组相比，草莓植株的根、叶柄和叶片鲜重（FW）在镉处理3天后显著下降。镉处理7天后，草莓幼苗叶柄和叶片的干重（DW）也显著下降（图1D-H）。与单独的镉胁迫相比，镉与Se(IV)的联合处理在7天后显著增加了叶片FW、叶柄FW和叶面积（图1F和1L）。这些结果表明，Se(IV)显著缓解了镉介导的生长抑制。
图1. 硒缓解了镉引起的草莓植株生长抑制。35日龄的水培草莓植株被转移到新鲜的1/2霍格兰溶液中，其中一部分不添加镉（对照组），另一部分添加15 μM CdCl₂（镉处理组），持续7天。对于硒处理，每3天向草莓植株叶片喷施10 μM Na₂SeO₃。A-C，水培植株的代表性图像（A）、叶片和叶柄（B）以及根部（C）。比例尺=5 cm。D-L，叶片鲜重（FW） (D)、叶柄 FW (E)、根部 FW (F)、叶片干重 (DW) (G)、叶柄 DW (H)、根部 DW (I)、自顶部数第一片叶片的叶面积 (J)、主根 (PR) 长度 (K) 以及自顶部数第一片叶片的叶柄长度 (L) 均被测定。数据表示为平均值 ± 标准差（n=3），不同字母表示显著差异（邓肯检验，P＜0.05）。
随后，研究者研究了在镉胁迫、Se(IV)处理或两者联合处理条件下草莓植株的光合参数（图2）。与对照组相比，在Cd胁迫1、3、5和7天后，净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、水蒸气气孔导度（GSW）、气孔导度（Gs）、二氧化碳总导度（Gc）和细胞间二氧化碳浓度（Ci）显著下降。与单独的镉胁迫相比，Se(IV)处理显著提高了镉处理植物的Pn、Tr、GSW、Gs、Gc和Ci（图2A-F）。这些结果共同表明，叶面喷施Se(IV)可提高光合作用效率，从而改善草莓植株在镉胁迫条件下的生长状况。
图2. 硒（Se）可提高镉（Cd）胁迫下草莓植株的光合作用效率。35日龄的草莓植株被转移到新鲜的1/2霍格兰溶液中，其中一部分不添加镉（对照组），另一部分添加15 μM CdCl₂（镉处理组），分别持续1、3、5和7天。对于硒处理，每隔三天向草莓植株的叶片喷洒10 μM Na₂SeO₃。A-F，测定了净光合速率（A）、蒸腾速率（B）、气孔导度（C）、水蒸气气孔导度（D）、细胞间二氧化碳浓度（E）和二氧化碳总导度（F）。数据表示为平均值 ± 标准差（n=3），不同字母表示显著差异（邓肯检验，P＜0.05）。
氧化还原失衡是植物重金属致毒的重要表现形式。镉胁迫显著提高了叶片和根部过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）的浓度（图3A-3D）。与单独的镉胁迫相比，镉与Se(IV)的联合处理显著降低了草莓植株中H₂O₂和MDA的浓度（图3A-3D）。随后，研究者测定了抗氧化酶的活性水平。镉胁迫显著降低了植物中超氧化物歧化酶（SOD）的活性和根部过氧化氢酶（CAT）的活性，而叶片中的CAT活性在镉胁迫下有所增加。与单独的Cd胁迫相比，补充Se(IV)显著提高了Cd处理植物中SOD和CAT的活性。然而，叶片中的CAT活性在5天后显著降低（图3E-3H）。可溶性糖是植物的主要能量来源之一，可作为植物胁迫反应的重要指标。如图3I和3J所示，Cd处理降低了草莓植株中的可溶性糖含量。与单独Cd处理相比，Cd与Se(IV)的联合应用显著提高了草莓植株中可溶性糖的浓度。这些结果共同表明，叶面喷施Se(IV)可减少活性氧（ROS）的积累，从而降低膜脂过氧化程度，促进有机物积累，最终缓解Cd胁迫下草莓植株的氧化损伤和生长抑制。
图3. 镉（Cd）胁迫下，Se 减少了草莓植株中活性氧（ROS）的积累，并提高了可溶性糖的浓度。35日龄的水培草莓植株被转移到新鲜的1/2霍格兰溶液中，其中一部分不添加镉（对照组），另一部分添加15 μM CdCl₂（镉处理组），持续1、3、5或7天。对于硒处理，每三天向草莓植株的叶片喷洒10 μM Na₂SeO₃。A-J，测定了叶片（A）和根部（B）的丙二醛（MDA）浓度，叶片（C）和根部（D）的过氧化氢（H₂O₂）浓度，叶片（E）和根部（F）的过氧化氢酶（CAT）活性，叶片（G）和根部（H）的超氧化物歧化酶（SOD）活性，以及叶片（I）和根部（J）的可溶性糖浓度。数据表示为平均值 ± 标准差，不同字母表示显著差异（邓肯检验，P＜0.05）。
2 比较转录组分析
随后，研究者对草莓根部在Se(IV)处理下的差异表达转录本（DATs）进行了RNA测序分析（图S1）。在Se(IV)处理1天后，草莓根部共鉴定出388个DATs，其中包括248个下调转录本和140个上调转录本；而在Se(IV)处理3天后，草莓根部共鉴定出494个DATs，其中包括325个下调转录本和169个上调转录本（图4A）。为了更全面地理解草莓根部对Se(IV)和Cd胁迫的独特分子响应机制，研究者将Se(IV)处理植物根部获得的转录组数据与之前获得的Cd处理植物根部转录组数据相结合。相关性分析证实了这些独特的表达模式（图4B）。主成分分析（PCA）将Se(IV)处理、Cd处理和对照样本明显分开，表明每种处理具有独特的转录谱（图4C），显示生物重复之间的高相似性和处理组之间的明显差异。
图4. 转录组分析。A，火山图显示四个比较组中差异表达的转录本（DATs）。红色圆圈表示上调的DATs，绿色圆圈表示下调的DATs，数字表示每个比较组中DATs的数量。虚线水平线代表显著性阈值（FDR＜0.05）。B，不同处理组之间的相关性分析；红色表示正相关，蓝色表示负相关。C，所有基因的主成分分析（PCA），不同处理组以不同颜色表示。D，所有DATs的层次聚类和表达谱。表达谱首先经过Z分数标准化，然后使用k-means聚类方法分为七个独立的聚类。这些聚类通过左侧的层次聚类可视化。热图显示Z分数标准化后的表达水平，红色表示更高表达，蓝色表示更低表达。样本类型在热图上方标注。每个聚类的共表达趋势以线图形式显示在最右侧，并标注基因大小。E，不同比较组中DATs富集的转录因子（TF）家族的词云图。上，上调的DATs；下，下调的DATs。
为了研究Se(IV)和Cd处理之间的基因表达趋势，研究者使用k-means聚类分析将这些表达谱分为七个不同的聚类（图4D；图S2–8）。聚类1#中的转录本在Cd处理1天后表现出上调表达，随后在Cd处理3天后略有下降，而在Se(IV)处理下则未见显著变化（图4D；图S2A）。基因本体论（GO）富集分析表明，这些转录本在聚类中富集于“酶调节活性”、“激素介导的信号传导通路”和“细胞对内源性刺激的反应”类别（图S2B和S2C）。 此外，转录调控网络（TRN）分析在该聚类中鉴定出62个转录因子（TFs），主要包括AP2/ERFERF、bHLH、MYB、NAC和WRKY家族（图S2D；表S2）。聚类2#中的转录本在Se(IV)处理下表现出稳定的表达，但在Cd胁迫1天后显著下调，随后在Cd胁迫3天后上调（图S3A，图4D）。GO富集分析表明，该聚类中的转录本在“微管motor活性”、“微管相关过程”和“细胞或亚细胞组分的运动”类别中富集（图S3B和S3C）。TRN分析在该聚类中鉴定出15个转录因子（TFs），主要包括AP2/ERF-ERF、bHLH和WRKY家族（图S3D；表S3）。聚类3#中的转录本在Se(IV)处理或Cd胁迫1天后未显示显著变化，但在Cd胁迫3天后显示显著上调（图S4A，图4D）。GO富集分析表明，该聚类中的转录本在“氧化还原酶活性”、“抗氧化活性”和“对氧化胁迫的响应”类别中富集（图S4B和S4C）。 TRN分析在该聚类中鉴定出28个转录因子（TFs），主要包括AP2/ERF-ERF、bZIP、MYB和WRKY家族（图S4D；表S4）。聚类4#中的转录本在Se(IV)处理下呈现渐进性上调，而在Cd胁迫1天后出现剧烈下调，随后在Cd胁迫3天后略有回升（图4D；图S5A）。GO富集分析表明，该聚类中的转录本在“离子结合”、“蛋白激酶活性”和“小分子结合”类别中富集（图S5B和S5C）。TRN分析在该聚类中鉴定出62个转录因子，主要包括bHLH、MYB、AP2/ERF-ERF和B3-ARF家族（图S5D； 表S5）。第5#聚类中的转录本在Se(IV)处理下未显示显著变化，但在Cd胁迫1天后显著下调，随后在Cd胁迫3天后略微上调（图4D；图S6A）。GO富集分析表明，这些转录本在聚类中富集于“催化活性”、“蛋白激酶活性”和“蛋白磷酸化”类别（图S6B和S6C）。TRN分析识别出30个转录因子（TFs），主要包括MYB、B3-ARF和bHLH家族，这些转录因子在聚类中被识别（图S6D；表S6）。硒（IV）或镉处理后，簇6#中的转录本下调，其中镉胁迫引起的下调程度大于硒（IV）处理（图S7A，图4D）。GO富集分析表明，与“生物调节”、“代谢过程调节”和“大分子代谢过程调节”相关的转录本在该聚类中富集（图7B和S7C）。TRN分析识别出48个转录因子（TFs），主要包括AP2/ERF-ERF和bHLH家族，这些转录因子在该聚类中被识别（图S7D；表S7）。聚类7#中的转录本在Se(IV)处理下未显示显著变化，但在Cd胁迫后上调（图S8A，图4D）。GO富集分析表明，与“氧化还原酶活性”、“脱落酸结合”和“蛋白磷酸酶抑制剂活性”相关的转录本在该聚类中富集（图S8B和S8C）。TRN分析识别出该聚类中包含61个转录因子（TFs），主要包括AP2/ERFERF、NAC和WRKY家族（图S8D；表S8）。对每个聚类的GO富集分析和TRN分析进一步揭示了植物对Se(IV)和Cd处理的生物学响应机制（图S2-S8）。
此外，研究者对DATs进行的word cloud分析揭示了与每种处理相关的不同转录因子家族（图4E）。Se（IV）处理主要上调了属于基本螺旋环螺旋（bHLH）家族的转录因子，同时下调了属于WRKY和APETALA2/乙烯响应元件结合因子（AP2/ERF）家族的转录因子。然而，镉（Cd）胁迫则上调了属于MYB、NAC和WRKY家族的转录因子，同时下调了属于bHLH和C2H2家族的转录因子。
值得注意的是，研究者在4#和5#基因簇中发现了7个基因（FvPCR9样、FvCBP样、FvWAT1样、FvMOT1、FvYW_6g02140、FvNRT2.1和FvZIP8)，这些基因呈现相反的表达模式（在硒（IV）处理的植株根部上调，而在镉处理的植株根部下调）（图4D)。随后，研究者通过定量RT-qPCR分析进一步验证了这些表达模式（图5）。
图5. 草莓植株根部在镉（Cd）或硒（Se）处理条件下，7个呈现相反表达模式的基因的表达情况。表达水平以对照组为基准进行标准化，并相对于参考基因进行呈现。处理组间具有统计学意义的差异用星号（*）标注，而“ns”表示无统计学意义的差异。
3 比较转录组分析显示了Se（IV）和Cd处理之间的差异表达谱
研究者随后通过韦恩图分析（图6）识别了Se(IV)和Cd处理组中共同表达的DATs。结果显示，76个转录本的表达在Cd胁迫下下调，但在Se(IV)处理下上调（图6A），而231个转录本的表达在Cd胁迫下上调，但在Se(IV)处理下下调（图6D）。GO富集分析进一步显示，这76个转录本主要富集在以下分子功能术语中：“转运体活性”（GO:0005215）、“底物特异性转运体活性”（GO:0022892）、“跨膜转运体活性”（GO:0022857）、“底物特异性跨膜转运体活性”（GO:0022891）、 “离子跨膜转运活性”（GO:0015075）、“阴离子跨膜转运活性”（GO:0008509）、“无机阴离子跨膜转运活性”（GO:0015103）和“硝酸盐跨膜转运活性”（GO:0015112）。对于生物过程术语，这76个转录本主要富集在“单细胞定位”（GO:1902578）、“运输”（GO:0006810）、“单细胞运输”（GO:0044765）、 “跨膜运输”（GO:0055085）、“离子运输”（GO:0006811）、“siroheme代谢过程”（GO:0045156）和“siroheme生物合成过程”（GO:0019354）中富集（图6B-6C）。然而，这231个转录本主要富集在以下分子功能术语中：“氧化还原酶活性”（GO:0016491），“氧化还原酶活性，以过氧化物为受体”（GO:0016684）、“过氧化物酶活性”（GO:0004601）、“单羧酸结合”（GO:0033293）、“激素结合”（GO:0042562）、“异戊二烯结合”（GO:0019840）、“脱落酸结合”（GO:0010427）、“磷酸酶抑制剂活性”（GO:0019212）和“蛋白磷酸酶抑制剂活性”（GO:0004864）。对于生物过程术语，231个转录本主要富集在：“对脂质的响应”（GO:0033993）、“对酒精的响应”（GO:0097305）、“对脱落酸的响应”（GO:0009737）、“细胞对脱落酸刺激的响应”（GO:0071215）和“脱落酸激活的信号传导通路”（GO:0009738）中富集（图6E-6F）。这些结果表明，Se(IV)和镉（Cd）处理触发了相反的调控通路，特别是与细胞运输、膜功能、植物激素信号传导通路和氧化胁迫反应相关的通路在草莓根部。
图6. 韦恩图分析。A和D，韦恩图显示不同组间重叠的DATs。Cd 1 d，对照组与Cd处理1天组；Cd 3 d，对照组与Cd处理3天组；Se 1 d，对照组与Se处理1天组；Se 3 d，对照组与Se处理3天组；上调，上调的DATs；下调，下调的DATs。B 和 E，基因本体论（GO）富集圆形图，分别显示在（A）和（D）中红色圆圈内突出显示的共同 DATs。C 和 F，GO 祖先图，分别显示在（B）和（E）中描述的共同 DATs。
4 Se（IV）和Cd处理对植物激素生物合成和信号通路相关基因的表达有不同的调节作用
随后，研究者对与植物激素通路相关的转录本的表达谱进行了分析（图7A；表S9）。参与脱落酸（ABA）生物合成的叶黄素环氧化酶（ABA1）的表达在Se(IV)处理3天后下调，而在镉（Cd）胁迫下未见显著变化。参与油菜素甾醇类化合物（BR）生物合成的类固醇5-还原酶（DET2）的表达在Se(IV)处理1天后下调，而在Cd胁迫下未见显著变化。参与茉莉酸（JA）生物合成的烯丙烯氧化环化酶（AOC）和12-氧代植物二烯酸还原酶（OPR）的表达在Se(IV)处理下下调，但在Cd处理下上调。参与细胞分裂素生物合成的UGT76C1_2和UGT85A基因在Se(IV)处理后下调，但在Cd胁迫下上调，而参与细胞分裂素代谢的细胞分裂素氧化酶/脱氢酶（CKX）基因在Se(IV)处理后下调，但在Cd胁迫下上调。
在植物激素信号传导通路中，Se(IV)处理下调了与auxin通路相关的Gretchen hagen 3 (GH3)基因的表达，而Cd胁迫在处理3天后诱导其上调（图7B；表S10）。此外，与auxin通路相关的auxin编码RNA（SAUR）基因在Se(IV)处理1天后上调，但在Cd胁迫下保持不变。与ABA通路相关的蛋白磷酸酶2C（PP2C）基因在Se(IV)处理下下调，但在Cd胁迫下上调。与乙烯信号传导通路相关的乙烯响应因子1/2（ERF1/2）的表达在Se(IV)处理后下调，但在Cd胁迫下上调。此外，与乙烯信号传导通路相关的乙烯响应因子1/2（ERF1/2）的表达在Se(IV)处理后下调，但在Cd胁迫下上调。在BR和JA信号传导通路中，木聚糖:木聚糖转移酶（TCH4）和茉莉酸ZIM结构域（JAZ）的表达受到Se(IV)的下调，但受到Cd处理的上调。
5 Se（IV）和Cd处理对氮和碳代谢相关基因的表达有不同的调节作用
研究者对氮代谢通路相关基因的表达谱进行了研究（图7C；表S11)。结果显示，三种硝酸盐转运蛋白（Nrt）和一种谷氨酸合成酶（GLUL）基因在硒（IV）处理下表达上调，但在镉胁迫下表达下调。相反，谷氨酸脱氢酶（GLUD1_2）的表达在硒（IV）处理时降低，而在镉胁迫下则显著升高。
研究者还研究了与碳代谢通路相关的基因表达谱（图7D；表S12）。在糖酵解/糖异生途径中，2个磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（pckA）基因和2个磷酸果糖激酶（PFK）基因的表达在Se(IV)处理下下调，但在Cd胁迫下上调。在丙酸代谢通路中，3-羟基异丁酰辅酶A水解酶（HIBCH）的表达受到Se(IV)的下调。在甘油酸和二羧酸代谢通路中，甲酸脱氢酶（FDH）的表达受到Se(IV)的下调，但受到Cd胁迫的上调。然而，丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT）的表达在Se(IV)处理下上调。此外，与戊糖磷酸途径相关的6-磷酸葡萄糖脱氢酶（PGD）基因的表达也上调。
图7. 4个比较组中参与植物激素生物合成（A）、植物激素信号传导通路（B）、氮代谢（C）和碳代谢（D）的DATs的表达模式分析。颜色代表相对于对照组的log2倍变化（log2FC），黄色表示上调，蓝色表示下调。热图中的星号表示DATs。
6 GO富集分析及转录调控网络分析：Se(IV)缓解草莓植株中Cd毒性作用
为了进一步揭示参与草莓植株中Se(IV)缓解Cd毒性的基因和调控通路，研究者进行了Venn图分析，并在“Cd/对照”和“Se(IV)/对照”比较中鉴定出477个共同的差异表达基因（DATs）（图S9A）。基因本体论（GO）分析显示，这477个基因在“跨膜转运活性”（GO:0022857）、“转运活性”（GO:0005215）、“氧化还原酶活性”（GO:0016491）、 “水解酶活性，水解O-糖苷化合物”（GO:0004553）、“水解酶活性，作用于糖苷键”（GO:0016798）、“硝酸盐跨膜转运蛋白活性”（GO:0015112）、 “抗氧化活性”（GO:0016209）、“膜”（GO:0016020）、“过氧化物酶活性”（GO:0004601）和“底物特异性跨膜转运蛋白活性”（GO:0022891）类别显著富集（图S9B和S9C）。
随后，研究者用这477个DAT（包含29个转录因子）构建转录调控网络，以识别参与与Se(IV)缓解的Cd毒性相关的转录因子-转录因子相互作用的因子。在最终的29个TF子网络中，共识别出两个模块，每个模块包含9–11个TF。这29个编码TF的基因包括5个ERF、2个bHLH、2个ZAT、2个NAC、4个WRKY、2个MYB和2个bHLH基因（图8；表S13）。
图8. 由477个重叠的DAT编码的蛋白质参与的硒和镉调控基因的调控网络。节点代表DAT。边代表ARACN推断的相互作用。节点颜色表示不同类型：黄色节点代表转录因子，蓝色节点代表靶基因。边厚度对应于相互作用分数，较粗的边表示较高的分数，较细的边表示较低的分数。
讨论
镉污染已成为威胁农业土壤生产力的关键因素，对作物生长和必需营养素吸收产生显著影响。基于研究，本研究探讨了硒（IV）作为保护剂对抗镉诱导的生长抑制作用。
1 生长和形态反应
先前研究表明，与单独使用镉处理相比，外源性Se(IV)能有效缓解镉诱导的胁迫，通过显著提高形态学参数（包括植株高度、根长、生物量和叶面积）来改善水稻和小麦的生长状况。支持这些发现，研究者的结果表明，镉胁迫抑制植物生长并降低草莓植株的生物量（图1A-1C）。重要的是，与单独镉处理相比，补充Se(IV)（Se(IV)）显著缓解了镉处理引起的生长抑制（图1）。这些观察结果表明，Se(IV)通过多种生理机制在缓解Cd诱导的胁迫中发挥关键作用。Se(IV)已被证明能改善苹果的养分吸收，这有助于抵消Cd毒性引起的养分失衡。此外，如本研究及先前研究均表明，Se(IV)可增强水稻和油菜的抗氧化防御系统，有效减轻镉胁迫下的氧化损伤。此外，本研究的转录组学研究结果与先前对苹果植株的研究一致，表明Se(IV)通过调节碳水化合物和氮代谢，在胁迫条件下诱导代谢重校准。这些综合保护机制使草莓植株即使在镉胁迫下也能维持生长和发育。
2 光合与抗氧化防御
2.1 光合效率
生理过程如光合作用对高等植物中的重金属极为敏感。光合作用是作物产量的关键决定因素。本研究结果表明，单独施用Se(IV)可提高光合作用参数（Pn、Tr、Gs、Ci）。更重要的是，在镉（Cd）胁迫条件下，这些参数显著降低，而补充Se(IV)可改善光合作用效率（图2）。Se(IV)在镉胁迫下对光合作用的保护作用通过多种互补机制实现。在超微结构水平上，镉通常会破坏植物叶绿体的完整性，导致类囊体肿胀、粒层紊乱及类囊体小体积累，这一现象在黄瓜和番茄中已有观察。Se(VI)的应用通过改善叶绿体超微结构、优化脂质和脂肪酸组成以及增强包膜膜流动性，有效缓解了Cd对油菜叶绿体的损伤。除结构保护外，Se(IV)通过非气孔和气孔途径维持光合作用功能。在非气孔因素方面，Se(IV)在维持电子传递链完整性中发挥关键作用。先前研究表明，镉主要通过抑制PSII中QA到QB的电子传递，并破坏豌豆中的氧气释放复合体来发挥作用。硒(IV)通过上调氧气释放复合体中的蛋白质（如黄瓜中的PsbP）以及增强苹果叶片中PSI反应中心亚基II的表达，来抵消这些效应。 此外，Se(IV)促进了锰（Mn）和铜（Cu）等必需元素的吸收，这些元素是光系统和电子载体的重要组成部分，确保了电子传递机制的正常功能。本研究的数据还表明Se(IV)在缓解气孔限制方面的作用。在气孔调节方面，本研究数据表明Se(IV)在缓解气孔限制方面发挥作用。Cd+Se处理中Gs和Ci的显著恢复表明，Se(IV)有效抵消了Cd诱导的气孔关闭。Ci的变化可反映光合作用变化是由气孔因素还是非气孔因素引起的。Se(IV)补充同时增加Gs和Ci的现象表明，Se(IV)通过改善气孔功能增强CO₂向叶片扩散，促进更多CO₂进入叶片叶肉组织。这种气孔导度的改善归因于Se(IV)维持护卫细胞离子稳态的能力，如Li等所示。尽管研究者仅测量了特定的光合作用参数，但这些结果与先前研究一致，这些研究表明硒在不同植物物种的光合作用装置中具有保护作用，包括水稻、黄瓜、烟草和油菜。
2.2 抗氧化防御系统
为了进一步阐明Se(IV)对Cd胁迫的保护作用，研究者基于对植物光合作用性能的研究成果，探讨了其对植物抗氧化能力的影响。在Cd胁迫条件下，草莓植株的H₂O₂和MDA水平显著升高，这两者是氧化损伤的典型指标。值得注意的是，补充Se(IV)显著减少了这些物质的积累（图3A-D），同时提高了关键抗氧化酶（如SOD和CAT）的活性（图3E-H）在Cd处理的植物中。植物的抗氧化防御系统由酶促和非酶促成分共同作用，以维持细胞的氧化还原平衡。研究者对SOD和CAT的关注基于转录组分析，该分析揭示了Cd和Se处理组之间在“氧化还原酶活性”（GO:0016491）和“氧化还原酶活性，以过氧化物为受体”（GO:0016684）富集的基因表达存在显著差异（图6）。这些酶在ROS解毒中发挥主要作用，其中SOD催化超氧阴离子自由基的歧化反应生成H₂O₂，而CAT随后将H₂O₂转化为水和氧气。值得注意的是，CAT活性表现出组织特异性响应，叶片CAT活性在长期Se(IV)处理后出现下降，而根部CAT活性保持升高。这种组织特异性调节暗示了在长期胁迫条件下可能存在的适应性反馈机制。此类组织特异性响应可能与根部和茎部硒积累差异或胁迫感知机制不同有关，这与植物中硒分布的研究结果一致。除研究者测量的酶外，硒可能通过其他机制增强抗氧化能力。谷胱甘肽（GSH）作为关键的非酶抗氧化剂，在该过程中发挥核心作用，通过与硒直接结合生成硒代蛋氨酸（SeMet）和硒代半胱氨酸（SeCys），从而促进富含硒蛋白的合成。硒以硒半胱氨酸形式的摄入可能通过翻译后修饰改变酶的结构和功能，从而提高其催化效率。具体而言，SeCys是谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性中心的关键组成部分，其与抗坏血酸（ASA）相互作用，通过Halliwell–Asada途径分解过氧化氢。尽管本研究转录组分析未显示抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环相关基因的显著富集，但这一重要通路仍可能参与硒（IV）介导的镉解毒过程。研究表明，硒可在镉胁迫下刺激谷胱甘肽合成，通过形成含硒化合物在油菜和水稻中可能固定镉并降低其毒性。此外，非酶抗氧化剂包括黄酮类、谷胱甘肽和抗坏血酸，可能通过直接清除活性氧（ROS）和金属离子螯合提供补充保护。这些发现突显了Se(IV)在镉胁迫下调节氧化还原平衡的关键作用，与先前关于镉胁迫条件下草莓中Se(IV)增强抗氧化防御系统的报道一致。未来研究应深入探讨AsA-GSH循环中关键酶（如APX和GR）的活性，这些酶与SOD和CAT协同作用，在植物抗逆性中发挥关键生理作用。
2.3 代谢调节
此外，硒（IV）处理导致可溶性糖含量增加，进一步凸显了其通过改变代谢途径来增加能量储备、促进渗透平衡和胁迫恢复的作用。除了作为能量储备外，可溶性糖在植物胁迫响应中还发挥关键的信号分子作用，调节对胁迫条件的恢复和适应。本研究观察到的可溶性糖含量增加可能表明碳固定效率提高、抗逆性增强，或两者兼而有之。这一发现与研究结果一致，即硒可在逆境条件下增强碳水化合物代谢，可能有助于改善能量状态和抗逆性。
3 转录组学视角下的胁迫适应机制研究
3.1.植物激素信号调控
转录组分析表明，Se(IV)和Cd处理对草莓植株中编码关键植物激素信号传导组分的基因（如PP2C、ERF1/2、CTR1、SIMKK、TCH4和JAZ）的表达具有相反的影响，从而改善了Cd毒性适应能力（图7A和7B）。值得注意的是，Se(IV)对JAZ基因的下调，这可能通过缓解JA信号传导通路的负调节作用，增强JA介导的防御反应。这一发现与先前研究一致，表明硒通过植物激素调节能力调节胁迫耐受性。Wang等发现，Se(VI)处理可上调Stanleya pinnata中抗氧化相关基因的表达。类似地，Li等发现，纳米硒处理增强了辣椒植株叶片和根部中参与JA、ABA和芸苔素内酯（BL）生物合成的基因表达。这些观察结果共同表明，硒通过复杂的植物激素信号网络介导植物胁迫反应，其中茉莉酸在协调不同胁迫反应通路的交叉谈话中发挥核心作用。在ABA信号传导通路中，Se(IV)下调了PP2C（ABA信号传导的负调节因子），这将增强ABA介导的胁迫反应，包括渗透调节和胁迫响应基因表达。相关研究表明，ABA通过调节抗氧化防御机制，改善植物发育和氧化胁迫耐受性，从而缓解铜胁迫对Artemisia annuaL.植物的不利影响。这表明本研究中Se(IV)介导的ABA信号传导调节可能在镉暴露下同样增强抗氧化能力和胁迫耐受性。Se(IV)下调了乙烯信号通路中ERF1/2和CTR1的表达，而Cd胁迫则上调了这些基因。CTR1是乙烯信号通路的负调节因子，而ERF1/2是乙烯信号通路中的正向转录因子。Se(IV)对CTR1的下调可能增强乙烯信号传导，但同时下调ERF1/2可能调节下游响应。这种复杂的调控模式可能有助于平衡乙烯介导的防御响应与生长抑制，使植物在应对Cd胁迫的同时维持生长。研究表明，硒处理可通过抑制乙烯生物合成减少叶片衰老并提升果实和切花采后品质。乙烯通过提高抗氧化酶水平增强大豆抗旱性。
3.2 氮和碳代谢
Se(IV)处理通过调节草莓植株在镉毒性条件下的氮代谢和碳代谢，进一步促进植物生长（图7C和7D）。例如，镉胁迫下调了Nrt和GLUL基因的表达，这两个基因是硝酸盐吸收和氮同化过程中的关键基因，而补充Se(IV)则在镉胁迫条件下上调了这些基因的表达（图7C）。此外，在镉胁迫条件下，补充Se(IV)还上调了与碳代谢相关的基因表达，如糖酵解/糖异生、甘油酸/二羧酸代谢、戊糖磷酸途径和丙酸代谢途径（图7D）。
3.3 参与Se(IV)介导的Cd胁迫保护的关键基因
更重要的是，转录组分析还揭示了7个转录本（FvPCR9-like、FvCBP-like、FvWAT1-like、FvMOT1、FvYW_6g02140、 FvNRT2.1和FvZIP8）在Se(IV)和Cd处理下的表达模式相反，这表明它们可能在Se(IV)介导的Cd胁迫保护中发挥作用（图4D）。具体而言，Cd胁迫显著下调了FvNRT2.1和GLUL的表达，而这两者对氮的吸收和同化至关重要。相反，Se(IV)补充在Cd胁迫条件下上调了这些基因，表明氮吸收和代谢得到增强。这种改善的氮吸收可能对Se(IV)介导的Cd胁迫耐受性有显著贡献，因为氮对合成胁迫相关蛋白、抗氧化酶以及植物螯合剂和金属硫蛋白等金属螯合剂至关重要。这一发现与Shahid等的先前研究一致，该研究表明Se(VI)补充可通过增强硝酸还原酶活性和氮同化作用，恢复镉胁迫马铃薯植株的氮代谢。与其他营养运输蛋白相比，研究者的转录组分析还显示，Se(IV)在镉胁迫下上调了FvMOT1和FvZIP8。钼是硝酸还原酶的必需辅因子，进一步支持了氮代谢的改善。此外，Se(IV) 上调了参与次生代谢物转运的 FvWAT1-like和作为 Cd 外排转运蛋白的 FvPCR9-like，表明 Se(IV) 同时增强了营养吸收和有毒金属外排机制（图5）。杨树PCR基因编码镉外排转运蛋白，而SlPCR6的过表达可提高植物对镉毒性的耐受性。Huang等的最新研究也表明，硒可激活水稻中的金属吸收转运蛋白，减少组织中镉的积累。这种对多个转运蛋白的协调调控，可能有助于在镉胁迫下，硒（IV）处理植物表现出的生长改善和抗逆性增强。研究者的发现进一步得到了Feng等的研究支持，他们证明硒处理可调节参与营养吸收和重金属解毒途径的多个转运蛋白基因的表达。
图9. 硒缓解草莓植株镉胁迫的提议模型。
结论
在本研究中，研究者通过生理生化分析和转录组分析，揭示了硒(IV)缓解草莓镉胁迫的生理和分子机制（图9）。本研究结果表明：(i) 硒(IV)通过提高光合作用效率和抗氧化防御能力，缓解了镉诱导的生长抑制。(ii) 参与镉外排、螯合、次生代谢物运输和营养吸收的关键基因，包括FvPCR9-like、FvCBP-like、FvWAT1-like、FvMOT1、FvYW_6g02140、FvNRT2.1和FvZIP8，表现出相反的表达模式，并在调节镉胁迫适应中发挥重要作用。(iii) Se(IV)通过调节植物激素信号传导途径及氮和碳代谢，改善了镉胁迫条件下的植物生长。这些发现为Se(IV)介导的草莓抗镉毒性分子机制提供了新见解，并有助于开发低镉积累作物以保障农业粮食安全。
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