DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1749732
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41584662
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: An Shi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيوكيمياء والتحليل العنصري
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على دور عناصر الأرض النادرة (REEs)، وخاصة اللانثانوم (La³⁺) والسيريوم (Ce³⁺)، في تعزيز إمكانيات الفيتوريميديشن للنباتات المفرطة الامتصاص في سياق تلوث الكادميوم (Cd). يبرز أن النباتات المفرطة الامتصاص هي حل واعد لتخفيف تلوث Cd، لكن فعاليتها غالبًا ما تكون محدودة بسبب انخفاض الكتلة الحيوية وتحمل الإجهاد المعدني. تشير النتائج الأخيرة إلى أن الجرعات المنخفضة من REEs يمكن أن تحفز نمو النبات، وتعزز إشارات الهرمونات النباتية، وتحسن تطوير الجذور، وتقوي الاستجابات المضادة للأكسدة، مما قد يزيد من تحمل Cd وامتصاصه.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر REEs أنها تؤثر على كيمياء التربة وتركيب مجتمعات الميكروبات في منطقة الجذور، والتي تعتبر حاسمة لتحريك Cd. كما تشير المراجعة إلى أن التعرض لـ REE قد يحفز البلعمة النظامية في بعض أنواع النباتات، مما يوفر مسارًا بديلًا لامتصاص Cd. يقترح المؤلفون إطارًا مفاهيميًا لتوضيح التفاعلات بين REEs والنباتات والتربة والميكروبات، مع التأكيد على الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات، وتقييم السلامة البيئية، وتقييم قابلية التطبيق في الميدان. تهدف هذه التركيبة إلى إنشاء أساس لاستغلال REEs كعوامل تنظيمية لتعزيز فعالية استراتيجيات الفيتوريميديشن للكادميوم.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الحرجة لتلوث المعادن الثقيلة في التربة، مع التركيز بشكل خاص على المخاطر الصحية التي يشكلها الكادميوم (Cd) وانتشاره في الأراضي الزراعية، كما تم تسليط الضوء عليه في مسح عام 2014 في الصين الذي أشار إلى أن حوالي 15% من التربة الزراعية كانت متأثرة. يتم تقديم الفيتوريميديشن، الذي يستخدم النباتات لامتصاص وتثبيت الملوثات، كنهج واعد ولكنه محدود بسبب قيود الأنواع النباتية التقليدية في تحمل المعادن وتراكمها. بالمقابل، يمكن للنباتات المفرطة الامتصاص، مثل *Sedum alfredii*، امتصاص مستويات عالية من معادن ثقيلة معينة دون سمية، مما يجعلها مفيدة لتخفيف التلوث في التربة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات، بما في ذلك انخفاض الكتلة الحيوية وخصوصية المعادن الضيقة، مما يتطلب البحث في تعزيز كفاءة امتصاصها للمعادن.
تقترح الورقة استخدام عناصر الأرض النادرة (REEs) كاستراتيجية محتملة لتحسين قدرات الفيتوإكستراكشن للنباتات المفرطة الامتصاص. لقد أظهرت REEs أنها تعزز العمليات الفسيولوجية للنبات وتوافر العناصر الغذائية، مما يعزز النمو وقد يزيد من امتصاص المعادن الثقيلة. تشير الأدلة من الدراسات إلى أن علاجات REE يمكن أن تعزز بشكل كبير الكتلة الحيوية وتركيزات المعادن في أجزاء مختلفة من النبات. تهدف المراجعة إلى تجميع المعرفة الحالية حول تفاعلات REE في أنظمة النباتات المفرطة الامتصاص، مع التركيز على الآليات التي تعزز الفيتوريميديشن للكادميوم. تحدد الموضوعات مثل تأثيرات REEs على الفسيولوجيا النباتية، وتعديل توافر Cd الحيوي، وتأثيرها على مجتمعات الميكروبات في منطقة الجذور، وفي النهاية تقترح إطارًا متكاملًا لفهم تفاعلات REE-النبات-التربة-الميكروب في سياق تخفيف التلوث في التربة.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة البحثية الضوء على التأثيرات التنظيمية المتعددة لعناصر الأرض النادرة (REEs) على الوظائف الفسيولوجية للنبات، خاصة في سياق تخفيف المعادن الثقيلة. لقد أظهرت REEs، وخاصة اللانثانوم (La³⁺)، أنها تعزز الكفاءة الضوئية من خلال زيادة محتوى الكلوروفيل والكاروتينات، وتحسين الموصلية الثغرية، وزيادة إنتاج ATP، مما يدعم بشكل جماعي تثبيت الكربون. بالإضافة إلى ذلك، يقلل علاج La³⁺ من الضرر التأكسدي تحت ضغط الكادميوم (Cd) من خلال تعزيز أنشطة الإنزيمات المضادة للأكسدة واستقرار الأغشية الخلوية. ومع ذلك، فإن التأثيرات الفسيولوجية لـ REEs تعتمد على التركيز، مما يتطلب تطبيقًا دقيقًا لتجنب السمية النباتية.
علاوة على ذلك، تؤثر REEs على مستويات الهرمونات النباتية الداخلية، مما يعدل تخليق ونقل الهرمونات مثل الأوكسينات والجبرلينات، والتي تعتبر حاسمة لنمو النبات واستجاباته للإجهاد. على سبيل المثال، يؤثر La³⁺ على توزيع الأوكسين ونقله، مما يؤثر على تطوير الجذور وقوة النبات بشكل عام. التأثيرات التي تحدثها REEs على بنية الجذور كبيرة، حيث تعزز ظهور الجذور الجانبية وتحسن امتصاص العناصر الغذائية من خلال تغييرات في عمليات نقل الأغشية وتعبير جينات الناقلات الغذائية. تعتبر هذه البنية المحسنة لنظام الجذور حاسمة للنباتات المفرطة الامتصاص لامتصاص المعادن الثقيلة بفعالية من التربة الملوثة.
أخيرًا، تلعب REEs دورًا في تعزيز تحمل النبات لضغط Cd من خلال تنظيم عمليات امتصاص المعادن والتعقيد. يمكنها التنافس مع Cd²⁺ على مواقع الامتصاص، مما يقلل من السمية بينما يزيد من تراكم المعادن بشكل عام تحت ظروف معينة. تشمل الآليات التي تعزز بها REEs توافر المعادن الثقيلة في التربة الامتصاص التنافسي والتعقيد، مما يسهل إطلاق Cd²⁺ في محلول التربة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن REEs يمكن أن تحسن بشكل كبير الأداء الفسيولوجي للنباتات المفرطة الامتصاص، مما يعزز قدرتها على تخفيف المعادن الثقيلة في البيئات الملوثة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1749732
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41584662
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): An Shi et al.
Primary Topic: Geochemistry and Elemental Analysis
Overview
The section provides an overview of the role of rare earth elements (REEs), particularly lanthanum (La³⁺) and cerium (Ce³⁺), in enhancing the phytoremediation potential of hyperaccumulator plants in the context of cadmium (Cd) contamination. It highlights that while hyperaccumulator plants are a promising solution for Cd remediation, their effectiveness is often limited by low biomass and metal stress tolerance. Recent findings suggest that low doses of REEs can stimulate plant growth, enhance phytohormone signaling, improve root development, and bolster antioxidant responses, thereby potentially increasing Cd tolerance and uptake.
Additionally, REEs are shown to influence soil chemistry and the composition of rhizosphere microbial communities, which are crucial for Cd mobilization. The review also notes that REE exposure may induce systemic endocytosis in certain plant species, providing an alternative pathway for Cd uptake. The authors propose a conceptual framework to illustrate the interactions among REEs, plants, soil, and microbes, emphasizing the need for further research to clarify mechanisms, assess ecological safety, and evaluate field applicability. This synthesis aims to establish a foundation for leveraging REEs as regulatory agents to enhance the efficacy of Cd phytoremediation strategies.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical issue of heavy metal contamination in soils, particularly emphasizing the health risks posed by cadmium (Cd) and its prevalence in agricultural lands, as highlighted by a 2014 survey in China indicating that approximately 15% of agricultural soils were affected. Phytoremediation, which utilizes plants to absorb and stabilize contaminants, is presented as a promising yet limited approach due to the constraints of conventional plant species in metal tolerance and accumulation. In contrast, hyperaccumulator plants, such as *Sedum alfredii*, can absorb high levels of specific heavy metals without toxicity, making them advantageous for soil remediation. However, challenges remain, including low biomass and narrow metal specificity, necessitating research into enhancing their metal uptake efficiency.
The paper proposes the use of rare earth elements (REEs) as a potential strategy to improve the phytoextraction capabilities of hyperaccumulators. REEs have been shown to enhance plant physiological processes and nutrient availability, thereby promoting growth and potentially increasing heavy metal uptake. Evidence from studies indicates that REE treatments can significantly boost biomass and metal concentrations in various plant parts. The review aims to synthesize current knowledge on REE interactions in hyperaccumulator systems, focusing on mechanisms that enhance Cd phytoremediation. It outlines themes such as the effects of REEs on plant physiology, modulation of Cd bioavailability, and the influence on rhizosphere microbial communities, ultimately proposing an integrated framework for understanding REE-plant-soil-microbe interactions in the context of soil remediation.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the multifaceted regulatory effects of rare earth elements (REEs) on plant physiological functions, particularly in the context of heavy metal remediation. REEs, especially lanthanum (La³⁺), have been shown to enhance photosynthetic efficiency by increasing chlorophyll and carotenoid content, improving stomatal conductance, and boosting ATP production, which collectively support carbon fixation. Additionally, La³⁺ treatment mitigates oxidative damage under cadmium (Cd) stress by enhancing antioxidant enzyme activities and stabilizing cellular membranes. However, the physiological effects of REEs are concentration-dependent, necessitating careful application to avoid phytotoxicity.
Furthermore, REEs influence endogenous phytohormone levels, modulating the biosynthesis and transport of hormones such as auxins and gibberellins, which are critical for plant growth and stress responses. For instance, La³⁺ affects auxin distribution and transport, impacting root development and overall plant vigor. The effects of REEs on root architecture are significant, promoting lateral root emergence and enhancing nutrient uptake through alterations in membrane transport processes and nutrient-transporter gene expression. This improved root system architecture is crucial for hyperaccumulator plants to effectively absorb heavy metals from contaminated soils.
Lastly, REEs play a role in enhancing plant tolerance to Cd stress by regulating metal uptake and chelation processes. They can compete with Cd²⁺ for uptake sites, thereby reducing toxicity while potentially increasing overall metal accumulation under certain conditions. The mechanisms by which REEs enhance heavy metal bioavailability in soils involve competitive adsorption and complexation, which facilitate the release of Cd²⁺ into the soil solution. Overall, the findings suggest that REEs can significantly improve the physiological performance of hyperaccumulator plants, enhancing their capacity for heavy metal remediation in contaminated environments.