重金屬對(duì)植物的毒害及植物對(duì)其毒害的解毒機(jī)制

陳鑌　譚淑端　董方旭　楊雨婷

摘要：土壤重金屬污染會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，不僅威脅生態(tài)系統(tǒng)健康，還限制人類發(fā)展。活性氧（ROS）過(guò)量積累引起的氧化脅迫是重金屬毒害植物的主要原因之一。圍繞ROS對(duì)質(zhì)膜、蛋白質(zhì)、DNA的氧化損傷機(jī)制闡述ROS對(duì)植物產(chǎn)生毒害的機(jī)制，總結(jié)分析植物重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、抗氧化酶系統(tǒng)、細(xì)胞壁、液泡對(duì)重金屬的解毒機(jī)制，以期為今后植物耐重金屬脅迫生理生態(tài)機(jī)制研究提供一定的理論依據(jù)，為植物修復(fù)重金屬污染研究提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：植物;重金屬;毒害;解毒機(jī)制

中圖分類號(hào)： X53? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）04-0034-05

重金屬是指密度大于5 g/cm3的一類金屬，其中包括常見(jiàn)的鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）等。礦產(chǎn)資源的不合理開(kāi)采、農(nóng)藥化肥的大量使用、汽車尾氣的排放等導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境中，造成土壤污染，致使該區(qū)域生長(zhǎng)的植物遭受重金屬脅迫。隨著土壤重金屬污染的日益嚴(yán)重，植物受到的脅迫越發(fā)嚴(yán)峻，生態(tài)位變窄;重金屬抑制植物生長(zhǎng)，從而降低物種多樣性，甚至通過(guò)食物鏈危及人類的健康和生命。據(jù)調(diào)查，重金屬Cd會(huì)抑制蕨類植物生物量的增加[1]。重金屬Pb、Zn、Cu會(huì)降低群落中草本植物的多樣性[2]。湘北某鎮(zhèn)采礦煉礦附近農(nóng)田土壤—水稻系統(tǒng)產(chǎn)出的糙米Cd超標(biāo)率高達(dá)100%，如若食用該稻米，每人每日攝入的Cd量高于聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織和世界衛(wèi)生組織（FOA和WHO）推薦標(biāo)準(zhǔn)值的5.9倍[3]，人體大量攝入Cd會(huì)患上“痛痛病”。

一些長(zhǎng)期生長(zhǎng)在重金屬污染環(huán)境中的植物，形成了一系列對(duì)重金屬污染脅迫的適應(yīng)和解毒機(jī)制。目前發(fā)現(xiàn)，魚(yú)腥草、龍葵對(duì)Cd具有超富集特性[4-5]，圓錐南芥是一種可以同時(shí)富集Cd、Zn、Pb的多超富集植物[6]，這些發(fā)現(xiàn)為修復(fù)土壤重金屬污染開(kāi)拓了新的方向?？蔀槭裁从行┲参锬茉谥亟饘傥廴就寥乐姓ＩL(zhǎng)繁殖，為什么能超富集重金屬，為什么能實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬毒害的解毒，對(duì)于這些問(wèn)題的理解有助于有效提高植物對(duì)重金屬的解毒能力及大規(guī)模培育可富集重金屬植物，從而為應(yīng)用超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染提供更多的借鑒和參考。

本文在閱讀大量重金屬研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，解析重金屬對(duì)植物的毒害作用，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地闡述植物對(duì)重金屬的解毒機(jī)制，以期為今后植物耐重金屬脅迫生理生態(tài)機(jī)制的研究提供一定的理論依據(jù)，為植物修復(fù)重金屬污染研究提供參考和借鑒。

1 重金屬對(duì)植物的毒害

重金屬對(duì)植物體的毒害主要表現(xiàn)為抑制葉綠素的合成，進(jìn)而影響光合作用造成葉片褪綠[7-8];占用必需元素（Fe2+、Zn2+、Ca2+）的鋅、鈣轉(zhuǎn)運(yùn)離子通道并與鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合[9]，影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能，破壞植物體內(nèi)離子平衡;引起植株?duì)I養(yǎng)失衡、電子傳遞系統(tǒng)受阻、氣孔關(guān)閉等毒害癥狀，抑制植物生長(zhǎng)[10];甚至導(dǎo)致過(guò)量的活性氧（ROS）積累，進(jìn)而致使植物死亡[11]。其中當(dāng)重金屬誘導(dǎo)的植物體內(nèi)ROS含量超出植物防御機(jī)制所及范圍時(shí)，植物的膜質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA等大分子受到不同程度的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性降低;蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能改變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致蛋白質(zhì)的不可逆失活;致使植物機(jī)能開(kāi)始紊亂甚至DNA的永久性傷害，直至死亡[12-13]。近年來(lái)有很多關(guān)于重金屬脅迫引起ROS積累和危害的報(bào)道，筆者對(duì)重金屬脅迫引起ROS積累的相關(guān)報(bào)道進(jìn)行歸納，詳見(jiàn)表1。盡管植物和重金屬種類有所不同，但重金屬脅迫均可引起植物體內(nèi)ROS的積累，對(duì)植物產(chǎn)生毒害甚至致死。

1.1 ROS對(duì)植物的氧化損傷機(jī)制

ROS是由O2轉(zhuǎn)化而來(lái)的具有不成對(duì)電子的原子或具有高反應(yīng)活性的離子或分子，常見(jiàn)的ROS類型有單線態(tài)氧（1O2）、羥基自由基（·OH）、過(guò)氧化氫（H2O2）、超氧陰離子（ O-2 ·? ）等。正常植物細(xì)胞在重金屬脅迫下，均可在質(zhì)外體、葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過(guò)氧化物酶體等部位產(chǎn)生ROS。當(dāng)植物體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的ROS時(shí)，細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜上多聚不飽和脂肪酸（PUFAs）的不飽和雙鍵、甘油和脂肪酸之間的酯鍵會(huì)受到攻擊發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化。受攻擊的PUFAs的不飽和雙鍵會(huì)發(fā)生抽氫、加氧、環(huán)化等過(guò)氧化鏈?zhǔn)窖h(huán)反應(yīng)，并最終分解為醛類活性羰基化合物[21]。其中丙二醛（MDA）已被廣泛用作氧化脅迫條件下生物膜損傷的標(biāo)志物[22]。膜質(zhì)過(guò)氧化可導(dǎo)致脂肪酸鏈斷裂，增加膜的流動(dòng)性及通透性[20-21]，擾亂植物體對(duì)進(jìn)出細(xì)胞物質(zhì)的控制能力及內(nèi)穩(wěn)態(tài)的平衡，甚至發(fā)生芬頓反應(yīng)生成·OH，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

ROS易攻擊蛋白質(zhì)上特定氨基酸的殘基α-碳原子及其鄰近的側(cè)鏈碳原子，經(jīng)過(guò)抽氫、加氧等化學(xué)反應(yīng)生成不同類型α-碳或側(cè)鏈自由基（R·、ROO·、RO·），并形成殘基過(guò)氧化的鏈?zhǔn)窖h(huán)反應(yīng)，使得氨基酸被修飾，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該過(guò)程會(huì)引起蛋白質(zhì)分子交聯(lián)、蛋白-DNA交聯(lián)，RO·所在的肽鏈破碎化[23]。Romero-Puertas等通過(guò)濃度控制試驗(yàn)證實(shí)，植物體內(nèi)隨著Cd濃度的增加，蛋白羰基化程度升高，被氧化的蛋白質(zhì)降解速率加快[24]。羰基化蛋白是由醛類活性羰基化合物（如MDA）和蛋白質(zhì)氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)反應(yīng)形成的[25-26]，且植物組織羰基化蛋白的增多已被廣泛認(rèn)為是蛋白質(zhì)氧化損傷的標(biāo)志。

DNA堿基受ROS攻擊通常會(huì)使雙鍵附加上·OH，糖組分的氧化損傷主要來(lái)自ROS對(duì)脫氧核糖的抽氫作用，致使堿基修飾、脫氧核糖氧化甚至肽鏈斷裂。DNA損傷如若不能及時(shí)修復(fù)則會(huì)導(dǎo)致DNA在復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中因其互補(bǔ)鏈堿基的錯(cuò)配而引發(fā)突變、編碼蛋白結(jié)構(gòu)及功能改變、酶的合成減少，甚至當(dāng)ROS過(guò)多地修飾DNA時(shí)，會(huì)使染色體變異，造成DNA的永久性傷害，以致死亡[15，27-28]。堿基受攻擊產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物——8-羥基鳥(niǎo)嘌呤為檢測(cè)DNA氧化損傷的標(biāo)志物[29]。

由此可見(jiàn)，重金屬對(duì)植物的毒害作用主要通過(guò)ROS對(duì)植物的膜質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA的損傷等實(shí)現(xiàn)。

2 植物對(duì)重金屬的解毒機(jī)制

植物對(duì)重金屬的解毒機(jī)制在于植物自身存在著一套精密且復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。在重金屬脅迫下，植物體內(nèi)某些物質(zhì)與重金屬發(fā)生絡(luò)合、螯合，進(jìn)而降低重金屬的有效性，使之成為低毒或無(wú)毒的復(fù)合物;同時(shí)增強(qiáng)自身的抗氧化系統(tǒng)，加快對(duì)ROS的清除并尋找最佳的、對(duì)自身傷害最小的部位儲(chǔ)存體內(nèi)鈍化的重金屬，且這些解毒機(jī)制并非獨(dú)立的，它們之間存在著相互促進(jìn)的關(guān)系?？寡趸到y(tǒng)在清除ROS的同時(shí)促進(jìn)植物螯合肽的形成，增強(qiáng)自身清除作用的同時(shí)提高對(duì)重金屬的絡(luò)合或螯合能力，絡(luò)合、螯合的產(chǎn)物更有利于重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將其轉(zhuǎn)移至細(xì)胞壁及液泡中。

2.1 重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在整個(gè)植物對(duì)重金屬的調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，參與吸收、螯合、區(qū)室化和代謝利用等關(guān)鍵步驟。根據(jù)近年來(lái)的研究及已鑒定的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成果可將其分為排出蛋白和吸收蛋白兩大類。金屬排出蛋白的功能是將重金屬運(yùn)載出細(xì)胞質(zhì)或進(jìn)入特定的細(xì)胞器，它們?cè)谥亟饘偌?xì)胞區(qū)室化、排出重金屬至非原質(zhì)體等解毒過(guò)程中發(fā)揮重要作用。重金屬吸收相關(guān)蛋白位于質(zhì)膜上，其功能是將重金屬?gòu)姆窃|(zhì)體或細(xì)胞器中轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中。詳見(jiàn)圖1。

在植物質(zhì)膜中重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最為活躍，位于質(zhì)膜上的重金屬排出蛋白Athma2，4、Atpdr8參與將重金屬Zn、Cd排出細(xì)胞質(zhì)運(yùn)送至細(xì)胞壁的過(guò)程，有利于植物對(duì)重金屬的沉淀，甚至有學(xué)者推測(cè)，位于車前草細(xì)胞質(zhì)膜上的Athma2，4可將過(guò)量的重金屬排出細(xì)胞[30-35]。重金屬排出蛋白Ospdr9是在植物根的質(zhì)膜上發(fā)現(xiàn)的，它可將重金屬Cd運(yùn)送至液泡中，與植物解毒的區(qū)室化作用密切相關(guān)[36]。目前，在質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)的重金屬吸收蛋白Zmys1、Zmysl1，3、Zmysl2、Osysl2、IRT1、Osirt1、Osirt2、COPT1～5的功能是將重金屬?gòu)姆窃|(zhì)體中轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，其中Zmys1、Zmysl1，3、Zmysl2、Osysl2隸屬YSL蛋白家族（yellow stripe-like protein family），參與植物體內(nèi)重金屬Fe、Zn、Cu的螯合[37-40]，在螯合金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。IRT1、Osirt1、Osirt2隸屬鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ZIP）家族，參與植物體內(nèi)重金屬Fe、Zn、Cd、Mn、Co的吸收、螯合等調(diào)控過(guò)程[41-43]。COPT1～5屬于高親和Cu轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，是對(duì)Cu2+具有特異親和性的蛋白，負(fù)責(zé)細(xì)胞器之間Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)[44-45]。

植物液泡是區(qū)室化重金屬的關(guān)鍵場(chǎng)所，其中重金屬排出蛋白Athmra3、Amrp3、Amtp1、Ahmtp1和液泡區(qū)室化具有密切聯(lián)系，這些蛋白能將重金屬運(yùn)載至液泡。其中蛋白Amtp1、Ahmtp1屬于陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)促進(jìn)蛋白家族（CDF）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)將過(guò)量的Zn2+運(yùn)出細(xì)胞，或者將細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的Zn2+進(jìn)行區(qū)室化隔離，從而降低Zn2+對(duì)細(xì)胞的危害[46-48]。蛋白Athmra3、Amrp3能夠水解ATP，并利用釋放的能量驅(qū)動(dòng)重金屬離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在Cd、Pb離子的運(yùn)輸過(guò)程中起重要作用，其作用原理與鈉泵和鉀泵類似[49-50]。重金屬吸收蛋白Atnramp1、Atnramp3～4多表達(dá)于植物根、葉中的液泡膜上，參與將液泡中過(guò)多的重金屬Fe、Cd離子轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程[51-52]。蛋白Athma1、Athma6可將細(xì)胞質(zhì)中過(guò)量的Zn、Cu運(yùn)至葉綠體中[53-54]。蛋白Athma8則會(huì)將葉綠體基質(zhì)中過(guò)量的Cu離子運(yùn)輸?shù)筋惸殷w中[45]。蛋白Athma7可將細(xì)胞質(zhì)中過(guò)量的Zn、Cu運(yùn)至高爾基體中[55]。Athma1、Athma6、Athma8、Athma7均屬于重金屬排出蛋白P1B型ATPases。

2.2 植物抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)ROS的清除

在重金屬脅迫下，植物體內(nèi)將產(chǎn)生大量的ROS，而植物體內(nèi)存在一套抗氧化系統(tǒng)用于清除ROS，保護(hù)細(xì)胞免遭傷害。該抗氧化系統(tǒng)由超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POX）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶組成。Zhang等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，用Cu、Pb處理的旱稻體內(nèi)SOD、CAT、POX活性上升[56]。狗牙根遭受Cd脅迫時(shí)體內(nèi)的SOD、CAT、POX活性均有所上升[57]。由圖1可知，在葉綠體中由于PSⅠ、PSⅡ系統(tǒng)能量耗散不足或光誘導(dǎo)電子對(duì)的電荷重組而產(chǎn)生的ROS可在SOD的催化作用下反應(yīng)生成H2O2，1O2可被α-生育酚清除;在線粒體中由于重金屬脅迫導(dǎo)致電子載體還原產(chǎn)生的ROS可在SOD的催化作用下反應(yīng)生成H2O2;質(zhì)膜與細(xì)胞壁之間的質(zhì)外體是ROS產(chǎn)生和清除最為活躍的場(chǎng)所，該場(chǎng)所的O2會(huì)通過(guò)不同途徑的胺氧化酶（AOX）、草酸氧化酶（OOX）、過(guò)氧化物酶、醌氧化酶（QOX）、NADPH氧化酶（NOX）、SOD生成。生成的ROS最終都會(huì)在POX、CAT的催化作用下及抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)中生成H2O和O2，從而解除重金屬對(duì)植物的毒害。植物激素生長(zhǎng)素（IAA）[58]、脫落酸（ABA）[59]、水楊酸（SA）[60]、乙烯（ET）[61]會(huì)直接或間接促使谷胱甘肽合成，促進(jìn)抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行，減少重金屬對(duì)植物的氧化脅迫。

2.3 植物細(xì)胞壁、液泡對(duì)重金屬的區(qū)室化作用

從1974年Malone等運(yùn)用電子顯微鏡證明細(xì)胞壁的重金屬沉淀作用[62]后，眾多學(xué)者不斷地研究其解毒機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在Cu脅迫下，劍葉舌葉蘚細(xì)胞壁果膠的同型半乳糖醛酸與43%的Cu結(jié)合，將Cu積累在細(xì)胞壁中[63]。在Pb脅迫下，大蒜誘導(dǎo)根細(xì)胞壁產(chǎn)生的富含半胱氨酸蛋白與Pb2+相互結(jié)合，將Pb2+固定在根細(xì)胞壁中[64]。在缺磷條件下，細(xì)胞壁果膠和半纖維素含量降低，是擬南芥能夠解除Cd毒害作用的重要原因[65]。另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在外源生長(zhǎng)素的刺激下，擬南芥半纖維素加速合成，進(jìn)而增加根細(xì)胞壁對(duì)Cd的固定能力[66]。由此可見(jiàn)，植物細(xì)胞壁纖維素、半纖維素、果膠、細(xì)胞壁蛋白能夠參與對(duì)重金屬離子的沉淀作用，進(jìn)而減少重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在細(xì)胞質(zhì)中，植物螯合肽（PCs）內(nèi)半胱氨酸的巰基與重金屬螯合，不僅可降低游離重金屬離子的毒性，而且還能在hmt1、hmt2膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、H+/Cd2+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助下，以PCs-重金屬螯合物的形式轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)液泡[67-71]。因此液泡能對(duì)重金屬元素起到區(qū)室化作用。

3 研究展望

植物擁有對(duì)重金屬毒害的多種解毒機(jī)制，不同的解毒機(jī)制是非常精密且相互錯(cuò)綜復(fù)雜的。1989年Grill等學(xué)者證實(shí)，谷胱甘肽（GSH）是PCs的合成前體[72]，生長(zhǎng)激素直接或間接促進(jìn)GSH的合成[58-61]。在重金屬脅迫下，GSH對(duì)維持植物細(xì)胞的氧化還原平衡至關(guān)重要，PCs的合成也需要大量的GSH消耗。但是植物體內(nèi)合成的GSH量和速度是受限的，因此GSH合成后對(duì)抗氧化系統(tǒng)和PCs的分配是怎樣的，且受何種調(diào)控分配等問(wèn)題還有待深入研究。

解毒途徑并不是在重金屬進(jìn)入植物時(shí)立即起作用，只有當(dāng)重金屬濃度達(dá)到一定程度后植物才會(huì)開(kāi)始應(yīng)答，關(guān)于該應(yīng)答的機(jī)制和條件還有待深入研究。解毒途徑之間的聯(lián)系也受某些植物物質(zhì)信號(hào)如NO、Ca、植物激素等調(diào)節(jié)物質(zhì)的調(diào)控[35，73]，關(guān)于解毒途徑之間的聯(lián)系和信號(hào)調(diào)控物質(zhì)等也將是接下來(lái)的研究重點(diǎn)。在不同的植物、不同的重金屬濃度中，各個(gè)解毒途徑是否存在分階段進(jìn)行調(diào)控，期間是否存在關(guān)鍵控制因子，關(guān)鍵控制因子又是哪些，這都將成為重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。

綜上所述，今后應(yīng)進(jìn)一步研究植物解毒途徑的調(diào)控機(jī)制。以尋找植物適應(yīng)及富集重金屬的關(guān)鍵因素和基因?yàn)槟康模嘤m用于我國(guó)生態(tài)環(huán)境治理的超富集植物，最終實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤上的有效應(yīng)用。

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