JHM | 蔬菜花卉研究所花卉栽培课题组揭示绣球花铝超积累分子机制取得新进展

       近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所花卉栽培团队在解析植物铝解毒与超富集机制方面取得重要进展。相关研究成果以“Tandemly Duplicated HmALS3 Gene Cluster Mediates Aluminum Hyperaccumulation via a Heteromeric Transport Complex in Hydrangea macrophylla”为题发表于国际期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF=11.3）。

       铝毒是酸性土壤中限制全球农业生产的主要因素之一。我国南方红壤等酸性土壤面积广泛，土壤中原本无害的铝元素会释放出高活性的有毒铝离子（Al³⁺），严重抑制植物根系生长，导致作物减产，威胁粮食安全与生态健康。绣球花作为一种典型的铝超积累植物，能够在叶片中积累超过1,000 mg/kg干重的铝而不产生毒害症状，绣球花的花萼变蓝正是其体内铝含量高低的直观体现，但其高容量内部隔离的分子机制一直未明。

       针对上述问题，研究团队鉴定出一个由铝诱导的串联重复基因簇HmALS3.1–HmALS3.4，作为绣球花铝超积累的主效调控模块。研究发现，该基因簇编码定位于液泡膜的跨膜转运蛋白。其中，HmALS3.1与已知物种的同源蛋白高度保守，而HmALS3.2–HmALS3.4则表现出显著的序列分化，预示了功能的特异化。研究进一步利用AlphaFold 3对HmALS3s蛋白的二聚体和三聚体复合物进行了高置信度三维结构预测，揭示了同源与异源寡聚体通道的结构差异。关键发现是，异源三聚体复合物相比同源二聚体具有显著更宽的孔道结构，为高容量铝转运提供了结构基础。

       功能验证显示，在酵母和拟南芥中异源表达HmALS3s基因可显著增强铝耐受性和积累能力；而在绣球花中沉默该基因簇则导致液泡铝隔离受损，并引发萼片颜色由蓝变粉的可视化表型变化。通过对茶（Camellia oleifera、Camellia sinensis）和野牡丹（Melastoma malabathricum）等多种代表性铝超积累植物的基因组进行比较分析，发现这些铝超积累植物  均发生了不同程度的ALS3基因拷贝数扩增。这一结果表明，ALS3家族的谱系扩增是铝超积累植物中共有的趋同进化策略。

       该研究阐明了基于基因簇和异源寡聚化的铝超积累新机制，为培育耐铝作物和开发酸性土壤植物修复策略提供了重要的遗传靶点。

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所为论文独立完成单位，范又维助理研究员和已毕业硕士研究生罗淑文为共同第一作者，袁素霞副研究员为通讯作者。本研究得到国家重点研发计划项目（2023YFD1200105）、中国农业科学院科研基本业务费项目和中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.142625