重金屬對植物種子萌發(fā)脅迫及緩解的機制

李桂玲 王琦 王金水 賈峰

（河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，鄭州 450001）

重金屬是指相對密度大于5 g/cm3的一類金屬元素，植物生長發(fā)育所需要的微量重金屬元素（如銅Cu、Zn、Mn等）除外，大部分重金屬（如Hg、Cd、Pb、Cr和類金屬As等）對植物的生長發(fā)育都有很強的毒害作用，當必需重金屬含量超過某一臨界值時，會對植物產(chǎn)生毒害作用［1]。種子的萌發(fā)是植物個體發(fā)育的開始，也是植物整個生命活動中至關(guān)重要的階段，農(nóng)作物萌發(fā)時期的生長狀況與后期作物的產(chǎn)量與質(zhì)量密切相關(guān)。因此，研究重金屬對植物種子萌發(fā)的影響日益成為全球關(guān)注的焦點。

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，大量含重金屬的工業(yè)污水通過灌溉進入農(nóng)田土壤，據(jù)統(tǒng)計，我國受重金屬污染的耕地面積占總耕地面積的1/5，并呈上升趨勢。這不僅影響農(nóng)作物種子的萌發(fā)率和作物產(chǎn)量，還能通過食物鏈嚴重危害人類健康［2]。因此，研究重金屬對種子萌發(fā)的影響，具有一定的經(jīng)濟價值與現(xiàn)實意義，為重金屬污染研究與治理提供理論依據(jù)［3]。

本文主要從重金屬（如Hg、Cd、Pb、Cr）脅迫對農(nóng)作物種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育期間的影響層面進行系統(tǒng)分析，同時闡述緩解重金屬污染的方法和措施，展望重金屬脅迫作物種子萌發(fā)毒害的分子機理研究以及重金屬污染治理的研究方向，旨在為重金屬污染研究與治理工作提供參考。

1 重金屬對植物種子萌發(fā)的影響

1.1 重金屬對植物種子萌發(fā)形態(tài)學(xué)指標的影響

目前，已有許多學(xué)者針對重金屬對植物種子萌發(fā)的影響做了研究和探討，多數(shù)研究表明，重金屬對植物種子的萌發(fā)和生長都存在不同程度的抑制作用［3]。重金屬處理后能夠引起植株萌發(fā)率降低、生長遲緩、植株矮小、葉片失綠等中毒癥狀［4]。Peralta等［5]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)Cr6+脅迫后，紫花苜蓿（Medicago sativaL.）種子的萌發(fā)率降低。Bassi等［6]在研究Cr6+對水生植物的影響中得到了類似結(jié)果。潘瑞熾等［7]研究表明，Hg2+可以抑制植物根系的正常生長發(fā)育，造成植株生長矮小。同樣，李桂玲等［8]、徐維杰等［9]和張艷杰等［10]研究表明高濃度的Cr3+和Cr6+能夠抑制小麥（Triticum aestivumL.）種子根和芽的生長，且對小麥根抑制作用大于芽，與Rascio等［11]研究重金屬脅迫水稻（Oryza sativaL.）幼苗中的結(jié)果一致。孫金金等［12]發(fā)現(xiàn)隨著Cu2+、Cd2+和Pb2+濃度的增大，8種禾本科草種的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)均有不同程度的下降，Cu2+、Cd2+和Pb2+對8種植物幼苗生長均有抑制作用，且高濃度脅迫下會出現(xiàn)“無根苗”。趙淑玲等［13]研究表明，不同濃度Cd2+處理花椰菜（Brassica oleraceaL.）種子，花椰菜種子的發(fā)芽率、根生長受抑制，丙二醛和脯氨酸含量升高，葉綠素含量呈下降趨勢。

此外，也有重金屬刺激植物種子萌發(fā)的報道，過昱辰等［14]發(fā)現(xiàn)低濃度的Hg2+處理假儉草（Eremochloa ophiuroidesHack.）、 地毯草［Axonopus compressus（Sw.）Beauv]和黑麥草（Lolium perenneL.）種子時，其萌發(fā)率較對照升高。李桂玲等［8]和張艷杰等［10]的研究表明低濃度的Cr3+和Cr6+均促進小麥根長和芽長的生長，高濃度則抑制。姬俊華等［15]發(fā)現(xiàn)不同濃度的重金屬Pb2+、Cr3+對小麥種子萌發(fā)影響不同。在復(fù)合污染中，當Cr3+離子濃度高于30 mg/L時，小麥的發(fā)芽率被顯著抑制，當Pb2+的濃度為200 mg/L和Cr3+濃度為50 mg/L的復(fù)合脅迫時，幼苗的株高最低，說明復(fù)合污染對幼苗株高的抑制作用要大于單一脅迫。另外，馬成倉等［16]還發(fā)現(xiàn)Hg對植物的毒性較Cd、Pb、Cu等的毒性要強。

綜上所述，重金屬對植物種子萌發(fā)的影響，一般對種子的萌發(fā)呈現(xiàn)低濃度促進，高濃度抑制的規(guī)律。這可能是低濃度的重金屬離子能刺激植物自身的抗逆性反應(yīng)，使植物胚乳液化和分解的能力增強，因此，在形態(tài)學(xué)上呈現(xiàn)發(fā)芽率、發(fā)芽勢、株高、干重鮮重等暫時升高的現(xiàn)象；而高濃度的重金屬離子破壞了植物的自我防御機制，造成植物機體代謝紊亂，生長受阻，甚至死亡，一般來說重金屬對植物根的抑制作用大于芽。并且不同重金屬對植物的毒害程度不同。

1.2 重金屬對植物種子萌發(fā)生理生化指標的影響

1.2.1 重金屬對植物種子萌發(fā)過程中淀粉酶活性的影響 淀粉酶（Amylase）是植物種子萌發(fā)過程中的關(guān)鍵酶，主要包括α-淀粉酶和β-淀粉酶。有研究指出，萌發(fā)種子中，淀粉酶活性的高低與種子的萌發(fā)有直接關(guān)系，淀粉酶的活性越強，水解力越強，種子萌發(fā)生長越快；反之，種子生長遲緩甚至受到抑制。Zhang等［17]發(fā)現(xiàn)Cu2+脅迫能夠使小麥淀粉酶活性降低，種子萌發(fā)率降低。王琳等［18]研究則發(fā)現(xiàn)低濃度Hg2+處理能夠誘導(dǎo)小麥淀粉酶及蛋白水解酶活性升高，但高濃度處理其活性受到抑制。李桂玲等［8]和張艷杰等［10]分別發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cr3+和Cr6+促進萌發(fā)小麥的淀粉酶活性，高濃度則抑制，且臨界濃度分別為40-45和18 mg/L。王友保等［19]研究發(fā)現(xiàn)Cu、As單一及其復(fù)合脅迫小麥種子時，低濃度的Cu處理對淀粉酶活性有促進作用，高濃度及復(fù)合脅迫時抑制。以上結(jié)果表明，重金屬可能是通過影響植物種子淀粉酶活性進而影響植物種子萌發(fā)。

一般來講，重金屬對淀粉酶活性的影響與其處理濃度和處理時間有關(guān)，高濃度重金屬處理對種子淀粉酶活性具有較強的抑制作用，且處理時間越長，抑制作用越明顯，而低濃度處理對淀粉酶有一定的促進作用，這與重金屬脅迫下植物種子萌發(fā)的形態(tài)學(xué)指標基本一致。故推測高濃度的重金屬可能是通過抑制其淀粉酶等水解酶活性來實現(xiàn)對植物種子萌發(fā)的抑制。

1.2.2 重金屬對植物種子萌發(fā)過程中酯酶同工酶活性的影響 酯酶（Esterase）廣泛存在于植物生長的不同階段，對植物代謝有重要的調(diào)節(jié)作用。與淀粉酶類似，酯酶也是植物種子萌發(fā)過程中重要的水解酶，在代謝過程中，它能水解酯鍵，催化酯類的水解，為植物種子萌發(fā)過程中胚體的各種生命活動提供能量。目前，有關(guān)重金屬對植物種子萌發(fā)過程中酯酶同工酶的影響研究較少。

施農(nóng)農(nóng)等［20]研究表明，重金屬Cd2+脅迫條件下，水稻種子萌發(fā)過程中，酯酶的活性降低，水稻萌發(fā)率降低。同樣，Zhang等［17]研究表明，Cu2+脅迫使小麥種子的酯酶活性降低，萌發(fā)率下降，這說明酯酶與植物種子的萌發(fā)有關(guān)，重金屬能夠通過抑制酯酶活性，影響植物種子萌發(fā)。但也有報道指出，較低濃度的重金屬脅迫對酯酶活性有促進作用，馬成倉等［21]研究表明低濃度Hg2+處理對玉米種子萌發(fā)過程中酯酶活力提高，施農(nóng)農(nóng)等［20]研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cd2+處理小麥種子萌發(fā)時間的延長，酯酶活性呈先升后降的趨勢。

目前，普遍認為酯酶與植物的抗逆性有關(guān)，重金屬脅迫下，酯酶活性有小幅上升趨勢，這可能是植物抵抗重金屬脅迫的一種應(yīng)對機制。

1.2.3 重金屬對植物種子萌發(fā)過程中可溶性糖與脯氨酸含量的影響 在逆境脅迫下，植物能夠通過積累有機物來增加自身細胞滲透勢，維持細胞的正常代謝。其中，可溶性糖不僅參與植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)，還為植物提供了能量來源，同時，為植物體內(nèi)其他有機物的合成提供了起始原料。蔣翠文等［22]發(fā)現(xiàn)低濃度Cd2+處理條件下，野花麥可溶性糖和淀粉含量升高，高濃度則降低。魏學(xué)玲等［23]研究表明Cd2+脅迫對小麥機體的可溶性糖含量無顯著影響。目前，重金屬脅迫對植物體內(nèi)糖代謝的變化趨勢尚無統(tǒng)一結(jié)論。

脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸含量的變化經(jīng)常被作為檢測植物體內(nèi)氨基酸代謝是否發(fā)生紊亂的重要指標。燕江偉［24]研究發(fā)現(xiàn)Cd、Pb單一及其復(fù)合脅迫下，隨著處理濃度的增大，3種旱生灌木幼苗葉片脯氨酸含量都有不同程度的升高。李小寧等［25]研究表明不同濃度Zn處理，導(dǎo)致根、葉可溶性糖和脯氨酸含量均顯著增加，并且根中脯氨酸的增加幅度高于葉。段瑞軍等［26]發(fā)現(xiàn)，在Cd濃度為100 mg/kg時，海濱雀稗（Paspalum vaninatum，Seashore paspalum）葉片葉綠素含量顯著減少，可溶性糖含量明顯增加，脯氨酸含量增加不明顯。正常條件下，植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量并不高，其含量升高可能是植物抵抗重金屬毒害的機制之一。Dar等［27]指出多種逆境脅迫下，植物體內(nèi)脯氨酸含量升高，植物抗逆性提高。

綜上所述，當植物受到重金屬毒害時，植物組織中的可溶性糖和游離氨基酸含量明顯增加，有助于增加植物細胞滲透勢，穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，維持細胞的正常代謝，從而抵御逆境對植物帶來的損傷，這可能是植物對抗重金屬脅迫的一種應(yīng)對機制。

1.2.4 重金屬對植物種子萌發(fā)過程中抗氧化保護系統(tǒng)的影響 抗氧化系統(tǒng)是植物的重要保護機制，對重金屬脅迫下種子的萌發(fā)有重要的保護作用，因此，重金屬對植物3種抗氧化酶活性的影響一直受到廣泛關(guān)注。植物的抗氧化系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）和過氧化氫酶（Catalase，CAT）。當萌發(fā)種子處于重金屬脅迫時，其抗氧化酶SOD、POD與CAT活性升高，及時清除過量的ROS（Reactive oxygen species，ROS）與 MDA（Malondialdehyde，MDA），防止膜脂過氧化，促使種子正常萌發(fā)［28]。重金屬脅迫條件不同，萌發(fā)種子體內(nèi)SOD、POD和CAT活性有較大的變化［29]。陳順鈺等［30]研究表明Pb、Cd對楓香（Liquidambar formosana）3種抗氧化酶活性的影響不完全一致，隨著Pb濃度的升高，楓香種子SOD活性下降，而POD和CAT活性呈“升高-降低-升高”的趨勢。徐成斌等［31]發(fā)現(xiàn)Cr6+（0-80 mg/L）處理后，玉米種子萌發(fā)過程中，SOD和POD的活性隨處理濃度的升高而提高，MDA含量升高。而張睿等［32]表示低濃度Cr6+（10-6mol/L）對抗氧化酶活性沒有明顯影響，中濃度Cr6+（10-5mol/L）處理能夠提高玉米的SOD與POD活性，高濃度Cr6+（10-4mol/L）則對抗氧化酶有抑制作用。龔雙姣等［33]研究表明在1-200 mg/L的Pb2+濃度范圍內(nèi)，尖葉擬船 葉 蘚［Dolichomitriopsis diversiformis（Mitt.）Nog.]等3種蘚類植物的SOD活性均顯著升高，而何俊瑜等［34]研究發(fā)現(xiàn)Cd2+脅迫下，小麥種子萌發(fā)過程中SOD活性呈先升高后降低的趨勢，POD活性明顯升高，MDA含量增加。馬文麗等［35]研究發(fā)現(xiàn)Cd2+對小麥POD、SOD的抑制作用較黑小麥明顯。本課題組的研究表明，Cr6+脅迫下，小麥種子萌發(fā)過程中抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性變化一致，均呈現(xiàn)出低濃度Cr6+促進抗氧化酶活性的升高，高濃度則抑制抗氧化酶活性（文章已接收）。

以上研究表明，植物種子萌發(fā)過程中，抗氧化酶的活性與重金屬的處理濃度有關(guān)，另外，不同植物中的抗氧化酶體系對同一種重金屬脅迫的響應(yīng)存在一定的差異?？傊?，重金屬脅迫能夠使植物種子萌發(fā)過程中抗氧化酶活性產(chǎn)生劇烈變化，一般表現(xiàn)為“低促高抑”的特點，說明SOD、POD和CAT對膜系統(tǒng)的保護作用是有一定限度的。此外，不同重金屬對種子萌發(fā)過程中SOD、POD和CAT活性的影響存在差異，表現(xiàn)為激活或抑制效應(yīng)，而同種重金屬對不同植物種子的萌發(fā)過程中抗氧化酶活性的影響也不盡相同。

1.3 重金屬對植物種子萌發(fā)過程中基因表達和遺傳毒性的影響

通常情況下，植物種子蛋白的穩(wěn)定性較好，不易受外界環(huán)境影響，因此與其他蛋白相比，種子蛋白更能反映重金屬脅迫對植物基因表達的影響［36]。常學(xué)秀等［37]研究表明低濃度Cd2+、Al3+加速蠶豆（Vicia fabaL.）胚根細胞分裂，而當升高到一定濃度后，蠶豆胚根細胞分裂顯著減慢；不同濃度Cd2+、Al3+均能誘導(dǎo)蠶豆胚根根尖細胞產(chǎn)生微核，一定脅迫濃度范圍內(nèi)，微核率隨處理濃度的升高而升高。同時，酶也屬于蛋白質(zhì)的范疇，重金屬脅迫能夠使酶的活性下降或喪失，進而影響種子萌發(fā)［38]。葛才林等［39]研究表明重金屬脅迫抑制水稻種子萌發(fā)過程中淀粉酶同工酶的表達，這可能是由于重金屬破壞了表達該淀粉酶同工酶的相關(guān)基因，從而使這些淀粉酶同工酶不能表達。呂朝暉等［40]研究發(fā)現(xiàn)Cd2+、Pb2+脅迫條件下，小麥種子醇脫氫酶（Alcoholdehydrogenase，ADH）基因的表達在RNA和酶活性水平上變化基本一致，均隨Cd2+脅迫濃度的增加呈下降趨勢。抗氧化酶是重金屬脅迫下植物種子萌發(fā)過程中的重要保護酶，有研究表明，重金屬脅迫下水稻種子萌發(fā)過程中抗氧化酶同工酶的表達均受到抑制，而CAT活性及同工酶受抑制表現(xiàn)最敏感，可能是重金屬脅迫破壞了這三種酶的基因，且對其損壞程度不同［20，39]。由此推測重金屬對蛋白的影響可能從該蛋白的基因轉(zhuǎn)錄或表達水平開始的。

另外，Zhang［41]研究表明，Hg2+脅迫引起大麥（Hordeum vulgareL.）細胞核仁的結(jié)構(gòu)變化，染色體畸變率升高，直接影響到了DNA的復(fù)制。葛才林等［42]研究表明Hg2+、Cd2+、Cu2+能夠提高小麥水稻葉和穗DNA的甲基化水平。丁國華等［43]認為，重金屬Pb和Cd均對中華水韭（Isoetes sinensis）DNA甲基化產(chǎn)生影響，并且多為半甲基化水平。此外，林愛軍等［44]發(fā)現(xiàn)Cd2+能夠破壞小麥葉片的DNA，呈劑量效應(yīng)，且隨著重金屬脅迫時間的延長，對DNA的損傷程度越嚴重［45-46]。以上研究表明，重金屬對植物具有明顯的遺傳毒性，且呈現(xiàn)出劑量與時間效應(yīng)。但目前重金屬對植物DNA遺傳毒性的研究還停留在DNA含量和染色體畸變等方面。

總之，重金屬脅迫對植物種子萌發(fā)相關(guān)蛋白的影響可能從該蛋白的基因轉(zhuǎn)錄或表達水平上已經(jīng)開始；而重金屬對植物種子萌發(fā)過程中遺傳毒性的影響，主要表現(xiàn)在DNA甲基化，DNA甲基化是表觀遺傳修飾的主要形式之一，能夠調(diào)控基因活力，對DNA分子造成間接影響。

1.4 組學(xué)技術(shù)在研究重金屬脅迫中的應(yīng)用

隨著模式植物基因組測序工作的完成，植物學(xué)的研究進入了功能基因組時代［47]。張黛靜等［48]通過對小麥幼根在銅脅迫下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)富集較多的DEGs的代謝途徑為次生代謝合成、氨基酸合成、核糖體合成相關(guān)、碳代謝、糖降解糖質(zhì)新生等。Yan等［49]對鉛脅迫下蘿卜（Raphanus sativusL.）根轉(zhuǎn)錄組測序，并對4 614條差異表達基因富集分析，發(fā)現(xiàn)上調(diào)通路主要是參與細胞壁的防御反應(yīng)和谷胱甘肽代謝過程，下調(diào)通路主要是參與碳水化合物代謝相關(guān)通路。蘇稚喆等［50]對鎘脅迫條件下麻瘋樹（Jatropha curcasL.）幼苗葉進行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫引起麻瘋樹葉片中碳代謝、光合作用、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及植物病原響應(yīng)等多種代謝途徑的變化。Ahsan等［51]通過分析鎘和銅脅迫條件下水稻種子萌發(fā)過程中蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶（醛糖還原酶、乙二醛酶Ⅰ）表達量下降；與抗氧化、脅迫、調(diào)節(jié)等相關(guān)的α-淀粉酶和烯醇酶等表達量升高。過量的銅則影響種子吸收水分及對貯藏物質(zhì)的分解，抑制水稻種子的萌發(fā)。在銅脅迫條件下，擬南芥野生型和轉(zhuǎn)基因種子在萌發(fā)過程中，被檢測出39個差異表達蛋白，其中只有14個點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因中，其余25個蛋白點，有14個點表達下調(diào)，1個點表達上調(diào)，10個點消失。MALDI-TOF和肽質(zhì)量指紋分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)PaSOD擬南芥中蛋白質(zhì)下調(diào)，與氧化應(yīng)激、解毒、細菌代謝、中間代謝和調(diào)節(jié)蛋白相關(guān)，過表達PaSOD能夠提高銅脅迫下轉(zhuǎn)基因擬南芥種子萌發(fā)率［52]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，水稻通過降低新陳代謝，加強防御機制抵抗銅脅迫［53]。

2 緩解重金屬污染的途徑

重金屬污染具有普遍性、隱蔽性、難降解及危害巨大等特點，使得重金屬污染治理困難［54]。國內(nèi)外許多學(xué)者對如何有效緩解重金屬污染方面進行了研究，并取得很大進展。以下主要介紹礦質(zhì)元素、微生物、基因工程強化植物修復(fù)技術(shù)、氣體信號分子等對植物重金屬毒害的緩解作用。

2.1 礦質(zhì)元素對重金屬毒害的緩解作用

某些礦質(zhì)元素可以緩解重金屬脅迫下植物種子的萌發(fā)及幼苗生長。如鉀能夠明顯減輕銅對三葉草的毒害，提高三葉草（Trifolium pratense）種子的發(fā)芽率，并能促進幼苗生長，說明鉀能夠緩解銅對三葉草的脅迫作用［55]。金屬元素鈣、鋅阻礙玉米幼苗對鎘、鉛的吸收［56]。韭菜對Pb或Cd的吸收量與土壤單一Pb或Cd污染程度正相關(guān)，并且，Pb/Cd之間存在復(fù)雜的交互作用，低濃度復(fù)合時相互促進吸收，高濃度復(fù)合時優(yōu)先吸收Cd而抑制韭菜對Pb的吸收；而鋅在高濃度Pb/Cd污染時表現(xiàn)出良好的拮抗作用，可有效降低Pb、Cd的毒害并促進韭菜生長［57]。秦成等［58]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Se（1-2.5 mg/L）可緩解鉛對蕎麥（Fagopyrum esculentumMoench.）的毒害，高濃度Se（5-10 mg/L）和鉛為復(fù)合脅迫時，加劇了對蕎麥的毒害。袁宇飛等［59]也發(fā)現(xiàn)一定量的Zn能夠提高Hg2+脅迫下小麥種子萌發(fā)率、小麥幼苗葉綠素含量以及小麥SOD與CAT活性，同時抑制了MDA與游離脯氨酸的產(chǎn)生，有效地緩解Hg2+脅迫對小麥幼苗細胞膜脂的過氧化損傷。

2.2 微生物緩解重金屬對植物的毒害作用

近年來，有研究報道，環(huán)境中的微生物能夠緩解土壤重金屬污染。王發(fā)園等［60]研究發(fā)現(xiàn)叢枝菌根（Arbuscularm ycorrhizae，AM）通過影響植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運，緩解重金屬對植物的毒害。周民［61]研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌促進銻脅迫下水稻抗氧化系統(tǒng)酶活性的提高，增加水稻生物量，抑制銻向水稻地上部傳遞。Liao等［62]指出微生物能夠提高土壤中多酚氧化酶、脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性，有利于Cr6+脅迫下植物的正常生長發(fā)育。此外，微生物能夠分泌出某些物質(zhì)來溶解土壤中的重金屬（如某些真菌分泌有機酸、氨基酸及其代謝產(chǎn)物等）來溶解土壤中的重金屬，以減輕植物毒害［63]，植物、微生物和重金屬脅迫之間可能存在互作［64]。因此，通過篩選重金屬抗性菌株來抵抗重金屬毒害是一種新的緩解植物重金屬脅迫的方法。

2.3 基因工程強化植物修復(fù)技術(shù)緩解重金屬對植物的毒害作用

目前，植物修復(fù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染中已有應(yīng)用。傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)速度緩慢，局限性比較大?，F(xiàn)在可以利用基因工程技術(shù)培育高效以及可富集多種重金屬的超積累植物來緩解植物重金屬毒害，克服一些傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的缺點。向日葵能夠超積累重金屬Cu，因此，可以利用向日葵對Cu污染區(qū)域進行修復(fù)［65]。過表達脯氨酸的轉(zhuǎn)基因煙草細胞對重金屬Cd毒性的抗性有所增強［66]。柴團耀等［67]研究表明，將菜豆（Phaseolus vulgaris）中重金屬特異誘導(dǎo)基因PvSR2（Phaseolus vulgaris stress-related）導(dǎo)入到煙草（Nicotiana tabacumL.）中，與野生型相比，轉(zhuǎn)PvSR2煙草抗重金屬鎘能力提高。Grichko等［68]將細菌的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨基酶基因轉(zhuǎn)入番茄（Lycopersicon esculentumMill.）后，番茄對Cd、Co、Cu、Ni、Pb和Zn等重金屬毒害作用的抗性均有不同程度的提高。

以上研究表明，利用傳統(tǒng)植物進行污染區(qū)修復(fù)時，只能對某種單一的重金屬有效，而利用基因工程技術(shù)進行修復(fù)，可以同時對多種重金屬污染區(qū)進行治理，克服了傳統(tǒng)技術(shù)中的缺點，這可能是未來解決重金屬污染的有效途徑之一。

2.4 氣體信號分子硫化氫對植物重金屬脅迫的緩解作用

近年來，繼NO、CO之后，硫化氫（H2S）是一種新型的內(nèi)源性氣體信號分子，關(guān)于H2S緩解植物重金屬毒害的研究已有很大進展。Li等［69]研究發(fā)現(xiàn)H2S能夠減少苜蓿中Cd2+、Cu2+的積累，緩解其對苜蓿根部的損傷。Zhang等［70]研究表明，H2S預(yù)處理能夠明顯提高Al3+、Cr6+脅迫下小麥種子萌發(fā)率以及淀粉酶、酯酶等水解酶活性，揭示H2S可以通過提高植物水解酶活性促進植物種子萌發(fā)；進一步研究表明，H2S預(yù)處理，提高重金屬脅迫下植物抗氧化酶活性，超氧陰離子、活性氧的積累以及MDA含量減少，并抑制脂氧合酶活性［71]，說明H2S可以通過調(diào)節(jié)植物抗氧化酶酶活性來緩解植物遭受的氧化損傷。此外，經(jīng)H2S預(yù)處理后的小麥種子中，可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的含量升高，表明H2S對于增強植物重金屬抗性有一定正面效應(yīng)。同樣，Li等［72]研究發(fā)現(xiàn)H2S能夠誘導(dǎo)植物細胞內(nèi)重金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因的表達，表明H2S在保護植物免受重金屬Cd毒害的過程中發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，經(jīng)過H2S處理，可以增強植物對重金屬毒害的抗性。一方面是由于H2S處理能夠提高粉酶、酯酶等水解酶活性以及抗氧化酶活性，從而提高植物對重金屬的抗性；另一方面，經(jīng)過H2S處理，能夠誘導(dǎo)植物體內(nèi)重金屬轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達，從而減輕重金屬對植物的傷害。

2.5 其他緩解途徑

提高植物抗重金屬毒害的能力還有一些其他途徑。如合理外施脫落酸（Abscisic acid，ABA）、水楊酸（Salicylic acid）等植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，以及亞精 胺（Spermidine，Spd）、 精 胺（Spermin，Spm）、有機酸和稀土元素等都能有效緩解植物重金屬毒害作用。研究表明，施加外源ABA可以有效提高Hg2+脅迫下植物種子的萌發(fā)活力［73]。王學(xué)等［74]研究表明，重金屬離子Hg可降低荇菜［Nymphoides peltatum（Gmel.）O.Kuntze]葉中Spd、Spm含量，抑制超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶等抗氧化酶活性，導(dǎo)致膜脂過氧化產(chǎn)物MDA過量積累，造成葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)等含量大幅下降，而外源噴施Spd可以緩解這些抑制作用。因此，通過外施植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)以及亞精胺、精胺等，也可以緩解植物遭受的重金屬脅迫。

3 展望

目前，對植物重金屬毒害的研究主要集中在植物生理生化方面，且毒害作用一般表現(xiàn)為濃度與時間效應(yīng)。但關(guān)于重金屬對植物毒害的分子機理研究還不成熟，有待進一步的研究與探討，這也可能成為今后研究植物重金屬毒害的重要方向。為了緩解植物重金屬毒害，使植物在重金屬脅迫環(huán)境中更好的萌發(fā)及生長，部分學(xué)者報道了一些緩解重金屬毒害的方法與措施，有些已比較成熟，如礦質(zhì)元素、微生物等能夠緩解植物的重金屬毒害，但有時可能產(chǎn)生一些對植物有毒有害的副產(chǎn)物；有些雖然剛剛起步，但很有發(fā)展前景，如氣體信號分子H2S對植物重金屬脅迫具有很好的緩解作用，目前還沒有負面報道。H2S是繼NO、CO之后的一種新型內(nèi)源性氣體信號分子，已有研究表明，H2S可以提高重金屬Cu2+、Cr6+、Cd2+、Al3+脅迫下植物種子的發(fā)芽率，提高植物種子中的抗氧化酶活力，以及降低MDA的含量，提高植物種子在重金屬脅迫下的發(fā)芽率［69-72]。另外，利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)技術(shù)進行高通量篩選重金屬脅迫相關(guān)代謝通路，找出重金屬脅迫響應(yīng)基因，進而通過基因工程手段獲得抗重金屬脅迫的新品種，為有效緩解植物重金屬脅迫提供一個新思路。