《Journal of Environmental Management》：Identifying phytoremediation potential of ten tobacco varieties: Cadmium-induced hormesis, bioaccumulation and translocation
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Cd脅迫下陜西10個煙草品種的生理響應及耐性機制研究表明，G1品種（Haiyan201、QX106、QX200）呈現鎘誘導促進效應，干物質積累提升2.38倍，鎘主要富集于細胞壁和液泡；G2（Chuanxue3、Haiyan204、QX110）和G3（Haiyan302、QX104、QX100、CX2-2022）分別導致6-49%、12-42%和5-34%的生長抑制，G3品種葉綠素含量下降最顯著（34%）。Cd脅迫引發ROS積累（H2O2和O2•-含量增加），且Cd生物富集因子（BAF）與轉運因子（TF）呈顯著正相關（r=0.892）。透射電鏡顯示G2/G3品種線粒體和葉綠體結構嚴重破壞，出現大量鎘黑體沉淀。本成果為煙草耐鎘種質資源篩選及鎘耐受分子育種提供了關鍵生物學指標。
沙伊斯塔·賈賓（Shaista Jabeen）| 穆罕默德·阿卜杜勒·巴西特（Muhammad Abdul Basit）| 艾哈邁德·穆克塔爾（Ahmed Mukhtar）| 穆罕默德·陶賽夫·賈法爾（Muhammad Tauseef Jaffar）| 穆罕默德·艾哈邁德（Muhammad Ahmed）| 張立新（Lixin Zhang）
中國西北農林科技大學生命科學學院，陜西絲路旱地生物資源與綠色智慧農業聯合實驗室，楊陵，712100
摘要
鎘（Cd）是一種全球性的新興污染物，會影響農作物生產和環境安全。煙草是一種強鎘積累植物，在中國具有重要的經濟價值。目前尚未對陜西省種植的煙草品種的鎘耐受性和敏感性進行過研究。在本研究中，我們評估了十種煙草品種在鎘脅迫（10 mg kg?1）下的形態生理反應。在測試的品種中，第一組（G1）的品種表現出鎘誘導的“荷爾蒙效應”，其形態生理發育得到增強。相比之下，第二組（G2）和第三組（G3）的品種在生長、葉綠素含量和光合效率方面分別降低了6-49%、12-42%和5-34%。同時，ROS（活性氧）的可視化與定量分析證實所有測試品種中都積累了H2O2和O2•?。鎘積累導致的氧化應激加劇，其中G3品種的CX2-2022表現出最高的鎘生物積累因子（BAF）為13.01，而G1品種的BAF最低為5至7，轉運因子（TF）最高為2.38。此外，對G2和G3品種的透射電子顯微鏡分析顯示，它們的質體小體、淀粉粒、葉綠體和線粒體數量減少，細胞內出現了大量的黑色密集鎘沉淀物；而G1品種的鎘主要積聚在細胞壁和液泡中。基于形態生理反應、鎘生物積累因子和轉運因子，我們確定G1（海彥201、QX106和QX200）為耐鎘品種，G2（川雪3、海彥204和QX110）為中等敏感品種，G3（海彥302、QX104、QX100和CX2-2022）為高敏感品種。這些發現為培育耐鎘品種以及維持鎘污染土壤中的可持續種植提供了寶貴的見解。
引言
鎘（Cd）是一種極具毒性的金屬，也是已知的致癌物，對農業生產力和環境健康構成重大威脅（Lin等人，2022年）。鎘在環境中的積累具有長達10至40年的長半衰期，具有顯著的毒性（Jabeen等人，2025年）。導致鎘積累的主要因素包括自然過程（如風化）和人為活動（如土壤改良、農業中植物化學物質的使用、化學肥料以及工業活動（García de la Torre等人，2021年；Wu等人，2019年）。在中國，20%的農業用地受到重金屬污染（Wang等人，2023年），其中7%受到鎘污染（Xu等人，2022年）。總體而言，90%的耕地受到不同程度的鎘污染（Lin等人，2022年）。鎘的這種生物可利用性和高度移動性對糧食安全和生態系統穩定性構成了嚴重威脅（Mukhtar等人，2026年）。因此，篩選對鎘具有耐受性的作物和品種有助于識別與鎘耐受性和解毒相關的關鍵基因，進而培育出耐鎘品種。
煙草（
Nicotiana tabacum L.）在中國具有重要的商業價值，是中國最大的生產和消費國（Zhu等人，2024年）。中國的煙草種植面積達到了1,000,520公頃（Zhu等人，2024年）。煙草植物（
Nicotiana tabacum）對鈷（Co）、鎳（Ni）、鉻（Cr）和鎘（Cd）等重金屬具有顯著的生物積累能力，其中最高濃度通常出現在葉片中（Havryliuk等人，2021年）。在這些有毒金屬中，煙草對鎘特別敏感（Su等人，2024年），鎘會顯著阻礙植物的生長、發育、生化過程和養分吸收（Liu等人，2023b；Mahmoudi等人，2024年；Mei等人，2022年）。此外，鎘會增加活性氧（ROS）的產生，并改變相對含水量和抗氧化活性/水平等生理參數（Mahmoudi等人，2024年）。不同煙草品種在鎘吸收及其在組織中的生物積累方面存在差異，表明其耐受性受遺傳背景的影響（Shafiq等人，2020年）。
先前的研究表明，不同品種的煙草可以積累大量的鎘（Yunyan97、Yunyan87、Qinyan96、Qinyan95和K326增加了19-29倍）（Jia等人，2025年）。遺傳變異影響鎘的積累潛力（Liu等人，2023a），比較ZhongYan100（ZY）、ZhongChuan208（ZC）、YunYan87（YY）和K326的結果顯示，ZC的鎘耐受性最強（Fan等人，2024年），其次是ZY（Liu等人，2023a），然后是K326（Liu等人，2023b）。此外，對十個煙草品種的比較顯示，YuYan87、LongJiang851和K326在最大鎘濃度下的積累量最高（Liu等人，2019年）。與抑制反應相反，在低鎘濃度下，一些作物還表現出生長增強（Chunping等人，2023年）、鮮重和細胞體積增加（Reese和Roberts，1984年），這表明了鎘的“荷爾蒙效應”（Erofeeva，2022年；Wang等人，2023年）。盡管已經有一些關于不同鎘濃度下煙草品種的研究，但針對雪茄煙草品種的鎘暴露對其形態生理變化、鎘定量及其亞細胞水平定位的研究仍不足。我們假設：（1）不同煙草品種對鎘暴露的反應不同，導致不同的鎘積累和轉運模式；（2）鎘積累與其對形態生理特征的影響之間存在顯著關聯。
本研究的目的是：（1）測量十種煙草品種在對照組和鎘脅迫下的生長參數，包括莖/根長度、鮮重和干重；（2）評估光合效率和葉綠素含量；（3）評估莖和根中的鎘含量、生物積累和轉運情況；（4）可視化并量化葉片中的H2O2和O2•?；（5）評估細胞超微結構的變化；（6）根據觀察結果和線性回歸分析，識別耐鎘和敏感品種。基于這些目標，本研究旨在探討鎘暴露是否在不同品種中引起類似的形態生理和生化變化，以及品種間鎘吸收和轉運是否存在可測量的顯著差異。本研究的結果將為理解鎘脅迫下的耐受機制提供有用的建議，并有助于未來培育耐金屬品種。
部分內容摘要
土壤采集與處理
土壤樣本采集自中國陜西省漢中市（33.0676° N, 107.0238° E）的農田，深度范圍為0至15厘米。采集的土壤經過風干、均質處理后，通過2毫米篩子篩選，然后用于實驗。為了建立鎘（Cd）污染模型，將土壤與1000毫升預先混合的氯化鎘（CdCl2；Macklin Biochemical Co., Ltd., 上海）溶液均勻混合，以達到最終濃度
生物量
根據鎘脅迫下生理指標的變化百分比，將觀察到的十種煙草品種分為三組（G1、G2、G3）。主成分分析顯示，G1品種位于PC1正區域，表明其受到鎘的刺激；G2品種位于中間，表現出中等程度的抑制；而G3品種主要位于PC1負區域，表明受到顯著抑制（圖1）。
第一組（G1）品種（海彥201、QX106
煙草對鎘的積累反應
中國煙草制造商根據特定的包裝/粘合/填充材料生產需求培育各種雪茄品種。本研究中調查的品種主要由陜西省、海南省、四川省和山東省的農民種植。這些煙草品種在多個形態特征（Chen等人，2024年）、尼古丁含量（Wu等人，2024年）、遮蔭反應（Yan等人，2024年）和香氣特性（Jiang等人，2024年）方面存在差異。
結論
本研究結果表明，煙草品種在鎘耐受性方面存在差異，這體現在它們的鎘積累能力、轉運能力以及形態生理和細胞反應上。我們觀察到G1品種（海彥201、QX106和QX200）在生長和光合作用指標上受到鎘的促進作用，表明了“荷爾蒙效應”。耐鎘的G1品種能夠主動從根部吸收并將鎘轉運到莖部，而中等敏感的G2品種則不然
CRediT作者貢獻聲明
沙伊斯塔·賈賓（Shaista Jabeen）：撰寫初稿、方法論設計、數據分析、概念構建。
穆罕默德·阿卜杜勒·巴西特（Muhammad Abdul Basit）：審稿與編輯、數據管理。
艾哈邁德·穆克塔爾（Ahmed Mukhtar）：數據可視化、軟件應用、實驗研究。
穆罕默德·陶賽夫·賈法爾（Muhammad Tauseef Jaffar）：實驗研究、數據分析、概念構建。
穆罕默德·艾哈邁德（Muhammad Ahmed）：軟件應用、數據分析。
張立新（Lixin Zhang）：結果驗證、項目監督、資金籌措。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
