摘要：锑(Sb)是一种有毒类金属(metalloid)，近年来由于人为活动导致其环境含量不断升高。在土壤中，该元素以五价离子Sb(V)(锑酸盐，antimonate)或三价离子Sb(III)(亚锑酸盐，antimonite)形式存在，其中Sb(III)在自然界中更常见且对生物体危害更大。本研究以水培方式培养番茄幼苗并暴露于不同浓度Sb(III)条件下，探究Sb(III)对这一重要农艺模式植物的影响，以阐明哪些化合物或代谢途径在植物应对该胁迫的防御反应中起关键作用。研究结果表明，Sb(III)暴露抑制植物生长并触发一系列防御机制，其中脯氨酸(proline)、植物螯合肽(Phytochelatins, PCs)及抗坏血酸/还原型谷胱甘肽循环(Ascorbate-Glutathione cycle, AsA/GSH cycle)的酶在异源物(xenobiotic)解毒中发挥突出作用。具体而言，抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate Peroxidase, APX)、谷胱甘肽还原酶(Glutathione Reductase, GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(Dehydroascorbate Reductase, DHAR)和单脱氢抗坏血酸还原酶(Monodehydroascorbate Reductase, MDHAR)的含量与活性均显著升高，且根部的升高幅度较地上部(shoots)更为明显。除生化活性外，研究人员还检测了编码这些酶的基因及参与相关化合物生物合成途径基因的表达情况，结果显示基因表达呈相同趋势。本研究强调了在高浓度Sb(III)暴露背景下，AsA/GSH循环在植物防御中的核心功能，并提出根系充当屏障以限制该类金属loid向地上组织转运。研究结果为基于上述关键防御酶和化合物筛选适宜修复Sb污染环境的植物物种提供依据，有助于推进对植物增强修复能力及安全恢复异源物污染环境的机制理解。
论文解读：番茄对三价锑Sb(III)胁迫的响应及AsA/GSH循环在植物修复中的作用
《Frontiers in Plant Science》刊载的本研究，针对环境中日益严重的锑(Sb)污染问题展开。Sb是非必需有毒类金属，其中Sb(III)比Sb(V)毒性更强、迁移性更高。现有研究多关注Sb(V)的植物毒理效应，而关于Sb(III)尤其是作物中AsA/GSH循环（抗坏血酸-谷胱甘肽循环，Ascorbate-Glutathione cycle，即AsA/GSH cycle，是植物清除活性氧ROS的关键抗氧化环路，包括抗坏血酸AsA与谷胱甘肽GSH的氧化还原再生）在Sb(III)胁迫下的响应尚不清楚。此外，番茄作为重要经济作物及模式植物，其对Sb(III)的耐受机制及植物修复潜力有待揭示。因此研究人员设水培实验，探究不同浓度Sb(III)对番茄生长、Sb积累分布及脯氨酸、植物螯合肽(PCs)、AsA/GSH循环代谢物与酶活/基因表达的影响，以明确根系屏障功能及关键解毒途径。
主要关键技术方法：
研究人员选用番茄(Solanum lycopersicum cv. Tres Cantos)品种，种子消毒萌发后转入Hoagland营养液进行水培，设置0 μM(CK)、100 μM(Sb1)、250 μM(Sb2)、500 μM(Sb3)四组酒石酸锑钾[K2Sb2(C4H2O6)2·3H2O]处理7天。主要检测手段含：ICP-MS测定根、茎、叶Sb及矿质元素含量；丙酮萃取分光光度法测叶绿素a/b及类胡萝卜素，调制荧光仪测最大光化学效率(Fv/Fm)；酸性茚三酮法测脯氨酸；Ellman's试剂测非蛋白巯基(NPT)及植物螯合肽(PCs=总NPT-GSH)；酶学法测AsA、DHA、GSH、氧化型谷胱甘肽(GSSG)；紫外-可见分光光度法测APX、GR、DHAR、MDHAR酶活；TRIzol法提取总RNA，反转录后qRT-PCR检测P5CS（△1-吡rroline-5-羧ylate synthetase，脯氨酸合成限速酶编码基因）、PCS（Phytochelatin Synthase，植物螯合肽合酶编码基因）及AsA/GSH循环酶编码基因相对表达量（内参基因为Actin与β-Tubulin）。
3 Results（结果）
3.1 Effect of Sb on biomass and mineral nutrient content（Sb对生物量及矿质营养含量的影响）：
通过测定株长、鲜重(FW)、干重(DW)、叶面积及干重百分比(%DW，反映含水量)发现，Sb(III)剂量依赖性地抑制根、地上部伸长及鲜重，叶面积锐减，%DW上升表明含水量下降。ICP-MS显示Sb积累具剂量与器官特异性：低浓度Sb1时Sb偏好积累于叶，中浓度Sb2时偏于茎，高浓度Sb3时大量滞留根。同时Ca、K、P及Cu、Fe、Mn、Mo、Zn等宏微量元素在各器官中随Sb浓度升高而递减，说明Sb(III)干扰矿质养分吸收。
3.2 Alteration of photosynthetic pigment content and photosynthetic efficiency by exposure to Sb（Sb对光合色素含量及光合效率的改变）：
分光光度法与荧光测定显示，Sb(III)使叶绿素a、b含量降低，Chl a/b比值升高；类胡萝卜素先升后降（Sb3不再升高）。Fv/Fm在Sb1无变化，Sb2、Sb3分别显著下降13%、21%，表明高浓度Sb(III)引起光系统II光抑制。
3.3 Effect of Sb on protein and proline and phytochelatin content（Sb对蛋白、脯氨酸及植物螯合肽含量的影响）：
叶中总可溶性蛋白在Sb2显著降低，根中低中浓度Sb1、Sb2显著升高。脯氨酸(Pro)叶中仅Sb2显著升高，根中各Sb浓度均极显著升高（Sb2达对照8倍以上）。P5CS基因表达叶中低浓度下调、高浓度Sb3上调，根中整体上调。PCs含量叶中低浓度略升、Sb2/Sb3下降，根中较对照暴增（Sb1最高），且根PCS表达在Sb1、Sb3上调，说明PCs主要在根中合成以螯合Sb(III)。
3.4 Effect of Sb on glutathione and ascorbate content（Sb对谷胱甘肽及抗坏血酸含量的影响）：
叶中总谷胱甘肽(GSH+GSSG)在高浓度Sb2/Sb3下降，根中Sb3下降；叶GSSG仅Sb3略升，根GSSG各浓度下降而GSH升高→根GSH/GSSG比值升高（氧化还原能力强），叶GSH/GSSG在Sb3下降。总抗坏血酸(AsA+DHA)及还原型AsA叶、根均升高，根DHA不变→AsA/DHA比值升高，叶Sb2/Sb3亦升。说明根部维持高还原态AsA/GSH池以抵御氧化损伤。
3.5 Response of antioxidant enzymes to Sb exposure（抗氧化酶对Sb暴露的响应）：
根基础APX、GR、DHAR、MDHAR活性均高于叶。叶APX活Sb1受抑、Sb3激活；根APX Sb1略抑、Sb2激活。GR活在叶各Sb浓度轻微升，根Sb1最强激活。DHAR活在叶各浓度激活（Sb2最强），根不受明显影响。MDHAR活在叶仅Sb3激活，根无显著变。基因表达方面，各酶编码基因在根、叶多被Sb诱导上调，但存在浓度与器官差异（如DHAR在叶Sb3下调、根Sb3强烈上调；MDHAR在根Sb3下调）。
4 Discussion与5 Conclusions（讨论与结论总结）：
讨论指出Sb(III)较Sb(V)对番茄生长抑制更强，器官富集模式取决于Sb形态与浓度——高浓度时根滞留为主，符合根作为首道屏障的观点。矿质吸收受抑与生物量下降关联。叶绿素降解与Fv/Fm下降反映光合受损，类胡萝卜素短暂升高为抗氧化响应。根中蛋白总量升、PCs大量合成及P5CS强诱导说明根通过PCs螯合Sb(III)–硫醇复合物及脯氨酸渗透调节/ROS清除限制其向地上转运。AsA/GSH循环中，根GSH升高、GSSG降低致GSH/GSSG↑系GR激活所致，叶高浓度Sb3因GSSG积累致GSH/GSSG↓且总GSH耗减可能用于PCs合成或韧皮部转运至根。AsA再生靠DHAR/MDHAR激活。Sb(III)与Sb(V)对AsA/GSH各组分及酶调控模式不同，印证形态特异性。基因-酶活解偶联可归因于转录后及翻译后修饰、重金属对酶位点直接抑制等。
结论归纳：Sb(III)抑制番茄生长并损及光合，诱导根源性PCs与脯氨酸为主的防御屏障。AsA/GSH循环酶活在根更高；根靠GR促GSH再生维持高还原势以解毒，叶高浓Sb(III)致氧化型谷胱甘肽积累还原势降。Ascorbate池在叶、根均靠DHAR/MDHAR上调维持。番茄根通过PCs螯合、脯氨酸积累及AsA/GSH循环强化共同限制Sb(III)向地上转运，具一定Sb污染土壤植物修复(phytoremediation)参考价值，但修复后须安全处置富集Sb的生物量以防进入食物链。
