近日，河南农业大学园艺学院设施结构与环境团队在光质调控黄瓜镉胁迫响应方面取得新进展。该研究揭示了红蓝光质通过调控光合作用、抗氧化系统及镉吸收对黄瓜镉胁迫响应的拮抗调控作用，为利用低耗能LED光源调控植物镉吸收和抗性提供了理论支持。
镉是一种毒性较强的重金属污染物，由于工业“三废”排放日益增加，农业中化肥和农药的大量施用以及含镉产品的广泛应用，土壤镉污染已成为当今社会普遍关注的问题。植物对镉污染会产生一系列的应激反应，如氧化应激、酶活性和植物信号物质（激素和钙离子）失衡，导致光合系统受损、质膜过氧化、细胞损伤、酶活性改变、内质网胁迫、蛋白质降解、DNA损伤或突变，从而影响其生理生化代谢过程， 最终使植物生长受到抑制，甚至死亡。土壤中的镉被植物吸收后，会随着食物链在高营养级生物体内富集，诱发人体骨质疏松并损坏肾脏，导致人体慢性中毒，甚至出现免疫系统、神经系统及生殖系统损伤等疾病，对人类健康造成严重的威胁。针对目前日益严重的镉污染问题，寻找环境友好、高效绿色的调控镉胁迫抗性的技术手段，已成为可持续发展的必然趋势。
光不仅是植物光合作用的能量来源也是调控植物生长发育和逆境响应的重要环境因子。已报道光调控植物多种必需元素的吸收转运，但光在植物镉胁迫响应中的作用及调控机制仍不清楚。研究首先发现，白光下，镉胁迫显著上调了黄瓜叶片和根中红光受体基因光敏色素PHYB的表达。鉴于红光和蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要有效光谱，也是当前发光二极管（light emitting diode,LED）的主流光源，课题组接着研究了镉胁迫下白光、红光和蓝光三种光质对黄瓜植株生长、叶绿素含量、光合作用、叶绿体结构、活性氧累积、抗氧化系统及镉吸收转运基因表达和累积的影响。结果表明：镉胁迫下，与白光相比，红光和蓝光分别加重和减轻了镉胁迫导致的叶片发黄、生物量降低、光合作用抑制和叶绿体结构损伤；红光和蓝光分别抑制和激活了镉胁迫下黄瓜抗氧化系统，提高和降低了叶片和根中过氧化氢（H2O2）和超氧阴离子（O2.–）的累积；红光和蓝光分别提高和降低了镉吸收和转运基因（IRT1、NRAMP1和HMA3）的表达；ICP-AES法和二苯基硫卡巴腙镉染色检测结果表明，与白光相比，红光和蓝光分别促进和抑制了镉在黄瓜体内的累积。
综上所述，红光和蓝光功能拮抗的调控黄瓜镉胁迫响应。研究结果为我们利用适宜的高比例蓝光/红光或夜间补充蓝光提高设施蔬菜镉胁迫抗性、降低镉积累或利用适宜的高比例红光/蓝光或夜间补充红光增强超镉积累植物富集镉的能力、降低镉污染提供了新思路。
该研究成果以题为“Red and blue light function antagonistically to regulate cadmium tolerance by modulating the photosynthesis,antioxidant defense system and Cd uptake in cucumber（Cucumis sativus L.）”的研究论文在线发表在国际知名环境科学与生态学学术期刊Journal of Hazardous Materials（中科院一区Top）上。设施结构与环境课题组青年教师国志信副教授为论文第一作者，硕士生吕景丽为第二作者，课题组长国家大宗蔬菜产业体系岗位专家朴凤植教授为通讯作者。课题组青年教师董韩、董晓星、张涛和杜南山参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金青年基金（32002118）、国家现代农业产业技术体系（CARS-23-B02）和河南省科技攻关（202102110198）项目的经费资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128412
