气候变化引发的环境压力，包括由于土壤污染造成的重金属（HM）压力，对全球可持续农业和粮食安全构成了重大威胁[1]。重金属既来源于自然活动（如火山活动），也来源于人为活动（包括采矿、农业实践和交通运输排放）[2]。考虑到它们在土壤生态系统中的持久性和移动性，重金属会降低土壤肥力和作物生产力，同时通过食物链威胁生态系统的平衡和人类健康[3]。在各种重金属中，镉（Cd）分布广泛，因为它具有高毒性，并会在植物和动物体内积累[2]。在植物中，镉的毒性会损害光合作用，抑制生长，并导致黄化和坏死[4]、[5]。因此，在气候变化条件下开发有效的策略来减轻镉的毒性对于确保环境可持续性和作物安全至关重要。
作为一种不可生物降解的污染物，镉在土壤中持续存在，会改变其物理化学性质并阻碍修复工作[2]。在可用的修复方法中，植物修复具有一定的优势，包括低成本、可持续性和广泛应用性[6]。此外，植物进化出了多种防御机制来抵御重金属的毒性[4]、[7]。面对重金属暴露，第一道防线是通过根细胞壁限制金属吸收并诱导某些化合物的分泌[5]、[8]。例如，根部分泌的羧酸在增强铝（Al）耐受性方面起着关键作用[9]。Miscanthus属植物的根部分泌物可以改善土壤结构并固定重金属[10]。在重金属胁迫条件下，羊草（Leymus chinensis（Trin.）的根部会分泌大量的有机酸（OAs），这些有机酸可以与重金属离子形成无毒复合物，从而降低重金属的毒性和吸收[11]。第二道防线涉及细胞内的解毒机制（例如，亚细胞区室化、重金属转运蛋白介导的隔离和有机酸的螯合）。例如，在大豆中过表达液泡转运蛋白GmVIT1可以通过增加离子在液泡中的隔离来减轻铁（Fe）和锰（Mn）的毒性[12]。同样，在Arabis paniculata中上调ABCC9的表达可以增强液泡中对镉（Cd）和铅（Pb）的隔离，从而提高耐受性[13]。
有机酸在这两种防御机制中都起着动态作用。柠檬酸（CA）处理可以提高黑槐（Robinia pseudoacacia）在镉胁迫条件下的植物修复能力[14]。一项关于向日葵的研究表明，外源施用的CA（30 mg L−1）可以促进镉向茎部的转移[15]。另一项研究显示，运输到液泡中的有机酸会形成金属-有机沉淀物，从而实现内部解毒[16]。在Thlaspi caerulescens中，锌（Zn）与苹果酸（MA）在表皮细胞液泡中螯合[17]。在苹果中过表达MdALMT14可以通过MA的分泌来增强镉耐受性[18]，而在Arabidopsis thaliana中过表达AtOT可以通过草酸的排出来提高对铝的耐受性[19]。因此，有效的植物修复依赖于一个协调的网络，该网络介导金属的吸收、转移和解毒机制；这一网络可以通过基因工程得到增强。
柠檬酸代谢的核心是三羧酸循环，其中柠檬酸合成酶（CS）催化乙酰辅酶A和草酰乙酸的缩合以产生CA[20]、[21]。根据亚细胞定位，CS可以分为线粒体CS（mCS）和细胞质CS（cCS）[22]、[23]。早期研究表明，mCS对花发育、有机酸代谢以及光合色素和蛋白质的调节具有关键作用[24]、[25]。此外，在中性pH条件下，CA与金属（如Al和Cd）之间的稳定性系数高于MA或OA与金属之间的稳定性系数，这使得CA在螯合重金属方面更为有效[26]。在转基因植物中过表达来自不同物种（如A. thaliana [27]、水稻[28]、Rhododendron micranthum [29]和油菜[30]）的mCS基因可以增加CA的分泌并提高对重金属（Pb和AI）的耐受性。具体来说，在A. thaliana中表达Malus domestica cCS1可以增加鲜重、CS活性以及CA和Fe的含量[31]。最近的研究比较了mCS和cCS，发现的表达水平高于；然而mCS并不显著改变CA的产量，而在Aspergillus niger中cCS可以增加CA的含量[32]。
羊草是一种多年生草本植物，主要分布在中国北部的碱性草地和欧亚大陆东部的草原上，它具有很强的耐旱、耐盐碱和耐寒能力[33]、[34]。先前的生理学和转录组学分析表明，羊草可以耐受镉（Cd）和铅（Pb）的压力，在镉/铅处理后LcCS2、LcCS3和LcCS4的表达水平在根部上调[11]。因此，由CS驱动的CA代谢可能对羊草中的重金属解毒非常重要。
本研究的目的是功能性地表征LcCS2、LcCS3和LcCS4在提高植物对镉的耐受性、积累和转移方面的作用。表达这三个基因的转基因酵母和水稻品系在镉胁迫条件下进行了表型、生理学和离子流分析。我们的发现为CS调节镉解毒的分子机制提供了新的见解，对植物修复的遗传改良和农业安全具有潜在意义。
