汞是毒性较强的重金属之一，可通过大气进行长距离运输，到达远离污染源的地区，具有较高的环境健康风险。水稻是世界第一大粮食作物，全球一半以上的人口以稻米为主要的粮食来源，前人研究发现，水稻叶片能够从大气中将单质汞（Hg⁰）氧化为二价汞（Hg²⁺），并在灌浆期向稻米中转运和储存，导致稻米汞污染，造成一定的人体汞暴露健康风险。因此研究水稻叶片氧化汞的机理是解决稻米汞污染问题的关键所在，探究水稻叶片氧化汞的机理对于降低稻米中大气来源的汞至关重要。但是目前关于水稻叶片氧化Hg⁰的生理生化、分子响应过程认识不清。基于此，本研究拟解决的关键科学问题：1）水稻叶片中何种酶参与了Hg⁰的氧化；2）Hg⁰暴露的过程中，响应Hg⁰暴露的关键基因有哪些。针对以上科学问题，该研究通过提取水稻叶片匀浆液，并通过添加过氧化酶特异性抑制剂作为对照处理，进行Hg⁰体外氧化试验。对水稻叶片进行Hg⁰暴露，分别采集Hg⁰暴露0 h、3 h、9 h、24 h水稻叶片样品，进行叶片汞形态分析和转录组测序，通过生物信息学分析方法，挖掘水稻叶片响应Hg⁰暴露的关键基因，探究其表达规律，为使用基因编辑方法减少稻米汞积累提供基因资源和遗传基础，提升水稻富集汞机理的认识水平。

本研究结果如下：

1.与对照组相比，抑制叶片匀浆液中过氧化氢酶活性，Hg⁰氧化速率降低了91%，Hg⁰氧化速率与过氧化氢酶活性呈正相关关系，表明过氧化氢酶是水稻叶片中Hg⁰氧化的关键酶。

2.水稻叶片中的汞主要以半胱氨酸结合态的形态存在，在Hg⁰暴露下，大量基因发生差异表达，部分基因表达量被显著诱导增加，部分基因表达量被抑制降低。差异基因主要参与水稻氧化还原过程、氮化合物合成、活性氧代谢、硫代谢等过程。

3.OsCATA和OsCATB基因表达量与水稻叶片汞的积累量呈正相关关系，NAC和ERF转录因子是潜在的调控Hg⁰氧化的关键基因。

图1. 匀浆液氧化Hg⁰试验

图2. 差异基因的表达模式和功能富集分析

图3. 基于时间序列的基因共表达网络分析

图4. 水稻叶片氧化Hg⁰的分子机理

上述研究成果发表在环境科学与地球科学研究领域期刊Environmental Science & Technology（《环境科学与技术》）上。该研究得到了国家自然科学基金项目（42222305和42394093）、国家自然科学基金委创新群体项目:生物地球化学(41921004)、贵州省重大科技计划项目（[2024]013）和贵州省千人创新创业人才计划（No. GZQ202208090）的资助。论文第一作者为博士生田维军，通讯作者为王建旭、冯新斌研究员。论文信息: Tian, Weijun, Jianxu Wang, Yi Man, Christopher W. N. Anderson, and Xinbin Feng. Novel Insights into Hg0 Oxidation in Rice Leaf: Catalase Functions and Transcriptome Responses. Environmental Science & Technology, 10.1021/acs.est.4c08658.

（冯新斌课题组/供稿）