代謝組學在植物重金屬脅迫研究中的應用

王佳鈺，李萌，宋曉卉，李琦，齊秀芬，王蘭蘭

（沈陽師范大學生命科學學院，遼寧沈陽 110341）

我國現(xiàn)階段大約有近20%的土地已經(jīng)遭受到了嚴重的重金屬污染，總計面積約為11億公頃，遭受重金屬污染的糧食產(chǎn)量達到了上千萬噸，直接經(jīng)濟損失達到200億余元[1]。2014年，《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，中國土壤總的點位超標率為16.1%，約合100.8萬平方千米。植物細胞內(nèi)，生長發(fā)育必需的金屬離子可以保證體內(nèi)的正常生理功能，利于其生長，但當濃度超過一定域值時，會對植物造成毒害[2-3]。目前的研究表明，植物中代謝物超過20萬種，在重金屬脅迫下涉及氨基酸代謝、有機酸代謝、糖酵解代謝等多種代謝途徑變化[4-5]，故代謝組學為研究植物逆境下代謝動態(tài)調(diào)控機制提供了平臺。本文綜述了不同重金屬脅迫下植物內(nèi)氨基酸類、有機酸類、糖類等物質(zhì)的含量變化特征及調(diào)控機制，并對本領域中有待深入研究的方向及問題進行了展望。

1 氨基酸類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，在植物體受到重金屬脅迫后，參與調(diào)節(jié)離子轉運、氣孔關閉、氮代謝等解毒過程[6-7]。氨基酸類代謝物的變化可作為研究重金屬脅迫后植物體響應的重要信號。

呂佳莉等運用主成分分析法分析玉米幼苗5個不同的Cd2+濃度梯度（1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L）處理下氨基酸類代謝物的響應變化[8]。結果鑒定出甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、纈氨酸、蘇氨酸6種氨基酸類差異代謝物含量均上升，尤其是Cd2+濃度較高時含量升高顯著（P＜0.05）。甘氨酸和谷氨酸是谷胱甘肽和植物螯合肽合成的前體物質(zhì)，參與植物螯合肽和抗氧化酶代謝物的合成過程。重金屬脅迫抑制植物正常的氮代謝途徑，通過甘氨酸和谷氨酸的積累以促進體內(nèi)硝酸鹽的還原，從而緩解重金屬的傷害。同時，這兩種氨基酸也影響細胞壁的生長和生理功能[9]。天門冬氨酸可以調(diào)節(jié)降低植物體內(nèi)硝酸鹽的含量，維持植物細胞滲透壓，而且還可以作為重金屬的配體，形成金屬復合物[10]。丙氨酸的應激反應主要體現(xiàn)在對細胞內(nèi)環(huán)境pH的調(diào)節(jié)，其含量的增加可能是由于重金屬脅迫后，蛋白質(zhì)合成速率降低和丙氨酸轉氨酶反應減緩引起的[7]。以上這些氨基酸大都是糖異生的前體氨基酸，前體氨基酸水平的升高表明植物體內(nèi)蛋白質(zhì)分解水平增加，糖異生途徑水平增高，糖異生主要是由非糖前體物質(zhì)生成糖的過程，其主要意義在于為依賴葡萄糖供能的組織提供能量[11]。但Wang等[12]采用GC-MS方法研究鉛、鎘脅迫下蘿卜根系內(nèi)氨基酸類代謝物的變化，結果表明鉛脅迫（1 000 mg/L）下，異亮氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸含量降低。在鎘離子脅迫（400 mg/L）下也得到了相似的結果，甘氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、丙氨酸、焦谷氨酸鹽5種與重金屬解毒有關的氨基酸類代謝物含量降低。這可能與高濃度金屬離子暴露下SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性有關[13-14]。另有郭山在Cd2+脅迫下（0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L）研究鳳眼蓮體內(nèi)和根系分泌物中氨基酸類代謝物的變化[15]。在鳳眼蓮根系分泌物中檢測出甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等13種氨基酸類代謝物，在體內(nèi)檢測出14種。與根系分泌氨基酸的組分相比，除苯丙氨酸為額外鑒定出的氨基酸，其余氨基酸種類相同，但其體內(nèi)氨基酸總量高于根系分泌氨基酸總量，莖葉內(nèi)氨基酸總量要高于根部，這可能與Cd2+主要富集在鳳眼蓮的根部有關。

目前，較多研究中涉及的差異氨基酸種類較少，其他種類氨基酸的作用機制還有待于進一步研究。

2 有機酸類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

植物葉片與果實中的有機酸參與呼吸作用和光合作用，還參與合成氨基酸、酚類、酯類和芳香物質(zhì)等代謝過程。植物根系分泌的有機酸在土壤養(yǎng)分的活化、吸收過程中也起到重要作用[16]。

檸檬酸、草酸以及蘋果酸屬于低分子量有機酸，含有幾個碳原子組成的碳鏈和一個或多個酸性官能團羥基，可攜帶一個或幾個負電荷[17]。在銅離子脅迫下黃瓜體內(nèi)有機酸類代謝物的響應研究中，與對照相比，在10 mg/L和20 mg/L銅離子處理下，檸檬酸下調(diào)可能是為了降低黃瓜組織中銅離子的溶解、吸收和轉運速率，也可能是因為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）中代謝發(fā)生變化[18]。趙麗娟等[19]實驗也表明，在土壤鎘離子含量5.0 μg/g培養(yǎng)條件下，運用氣相質(zhì)譜聯(lián)用的方法檢測到菠菜和玉米幼苗體內(nèi)的檸檬酸和蘋果酸兩種差異代謝物含量顯著下調(diào)。蘋果酸和檸檬酸主要在線粒體中通過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生，是植物體內(nèi)TAC循環(huán)中兩種主要的有機酸，也是重要的金屬配位體。通過參與重金屬的吸收、運輸、貯存和解毒等生理代謝過程，將離子態(tài)的金屬轉變成低毒或無毒的螯合態(tài)，從而減輕過量金屬對植物的毒害效應[20]。

除檸檬酸和蘋果酸外，草酸也在多個重金屬脅迫下代謝組學研究中被確定為差異代謝物。有研究通過LC-MS/MS方法，在受到鎘離子脅迫的鳳眼蓮體內(nèi)鑒定出7種有機酸[15]。莖葉部有機酸以草酸、檸檬酸和蘋果酸為主，隨著鎘處理的濃度升高，檸檬酸和蘋果酸含量顯著下調(diào)，這與上述研究結果一致，但其草酸含量略有波動且維持在較高水平。推測鎘脅迫對莖葉內(nèi)主要有機酸的影響表現(xiàn)為抑制檸檬酸和蘋果酸的積累，促進草酸的積累。隨后，在其根系分泌物的檢測鑒定中發(fā)現(xiàn)，隨著鎘處理濃度的升高，草酸分泌呈現(xiàn)出先增后減而后趨于穩(wěn)定的趨勢，在Cd2+濃度為1 mg/L時分泌量達到最大，說明鎘的加入可能迫使鳳眼蓮根系分泌更多的草酸，但當濃度達到較高水平時，分泌量不會持續(xù)增加，而是穩(wěn)定在一定范圍，由此推測可能是因為激活了自我保護的機制[15]。

水楊酸是一種脂溶性有機酸，曾有Zhao等研究表明，在銅處理（10 mg/L、20 mg/L）下水楊酸被鑒定為差異代謝物，且其濃度分別是對照組的13和26倍[18]。在重金屬脅迫時，水楊酸可能作為植物內(nèi)源激素以及信號分子激活植物的防御功能。同時，水楊酸可顯著降低銅脅迫下水稻體中丙二醛和H2O2的濃度，以此減輕銅對水稻的傷害。

目前，研究主要集中在小分子量有機酸，大分子量有機酸的響應機制還有待進一步研究。

3 糖類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

糖代謝在整個植物代謝中處于中心位置，既為保障植物正常的生長和發(fā)育提供能量、構建碳骨架，又聯(lián)系著植物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝、脂類代謝、核酸代謝及次生物質(zhì)代謝等。此外，糖類物質(zhì)還在調(diào)節(jié)滲透壓、基因調(diào)控[21]、信號傳遞[22-23]等方面也發(fā)揮重要作用。重金屬脅迫會刺激植物體內(nèi)的糖代謝發(fā)生改變。

糖類化合物能夠為微生物的生長提供碳源，使根系周圍的微生物數(shù)量、活性遠大于非根際環(huán)境，而大量活躍的微生物可以把根系分泌的大分子物質(zhì)轉化為可活化重金屬的小分子物質(zhì)，而且其自身分泌的有機質(zhì)也可活化重金屬[24]。羅慶[25]研究了不同鉛濃度脅迫（10 μmol/L、50 μmol/L、200 μmol/L 和1 000 μmol/L）下東南景天內(nèi)糖類代謝物的變化，推測其對重金屬的響應機制。結果表明，伴隨著鉛濃度的升高，根系分泌物中的半乳糖、葡萄糖、麥芽糖等糖類代謝物表現(xiàn)出先上調(diào)后下調(diào)的變化趨勢?？赡艿脑蚴窃诘蜐舛认聳|南景天通過增加以上糖類分泌來活化根系周圍的鉛，提高富集效果。但鉛濃度累積到一定程度時，東南景天又通過減少這些糖類的分泌來減輕鉛對東南景天的毒害效應，以保證東南景天在高濃度的鉛脅迫下能夠正常生長[25]。另有趙麗娟的研究得到相似結果，低濃度鎘脅迫下，菠菜和玉米幼苗內(nèi)與能量代謝相關的葡萄糖、蔗糖、半乳糖等糖類化合物含量顯著上調(diào)[19]。鉛脅迫下（1 000 mg/L）蘿卜根內(nèi)果糖、葡萄糖、半乳糖含量升高，但鎘脅迫下（400 mg/L）3種糖類代謝物的含量卻呈現(xiàn)出降低的趨勢。推測可能是同種植物在應對不同種重金屬脅迫時其糖酵解循環(huán)存在差異性，也可能與重金屬的脅迫濃度不同有關，其可溶性糖的響應機制有所不同[19]。

可溶性糖含量激增是植物體內(nèi)在重金屬脅迫下一種典型的應激反應。植物會發(fā)生一系列的抗逆性反應，如產(chǎn)生活性氧、信號轉導及與抗逆相關的蛋白和代謝物[26]，這些反應的維持均需要糖類化合物提供大量的能量。糖代謝又關聯(lián)著氨基酸、有機酸代謝，所以會間接影響植物體的整體代謝系統(tǒng)。另外，植物受重金屬脅迫時，可溶性糖具有滲透調(diào)節(jié)作用，維持細胞膨壓并保護植物的細胞膜和蛋白質(zhì)[27]。目前，對重金屬下植物體內(nèi)糖類代謝物的研究主要集中在可溶性糖對植物體內(nèi)的影響，其他糖類代謝物及響應機制有待進一步探索。

4 其他代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

在重金屬脅迫下植物代謝組學的研究實驗中，檢測鑒定出的代謝產(chǎn)物有多種類別，除以上列舉外，還存在有機醇、胺類等代謝產(chǎn)物。

李雪妹[28]在鉛脅迫（100 μmol/L）下水稻幼苗多元醇代謝物變化的研究中，鑒定出以肌醇為代表的6種有機醇含量升高。肌醇參與多種代謝調(diào)節(jié)，如植酸存儲物質(zhì)的合成、調(diào)節(jié)植物細胞抗逆性、促進種子脫水和調(diào)節(jié)植物生長素、還參與細胞壁的合成[27]。這與此前的鎘脅迫下，玉米幼苗和菠菜體內(nèi)肌醇含量升高的代謝組學實驗結果一致[19]。以此同時，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫的玉米幼苗中還存在抗逆相關物質(zhì)腐胺的含量累積。腐胺是一種多胺類物質(zhì)，能調(diào)節(jié)植物的生長、發(fā)育，提高植物的抗逆性，是由TCA循環(huán)中的酮戊二酸衍生化而來，重金屬脅迫對植物產(chǎn)生毒害作用，引起了腐胺變化來抵抗逆境[29]。

近年來，在甘露醇相關研究中，林立東等[29]運用氣相色譜質(zhì)譜法分析低濃度（0.25 mg/L、0.50 mg/L）、高濃度（1.50 mg/L、3.00 mg/L）銅脅迫下羊棲菜體內(nèi)代謝物的變化。結果表明，高濃度銅脅迫下甘露醇含量降低，推測甘露醇是作為可混合溶質(zhì)，被用作羥基自由基清除劑，參與細胞中活性氧（ROS）清除的過程，對氧化脅迫起到解毒的作用。對于低濃度銅脅迫，可能對細胞透性未發(fā)生顯著傷害，所以羊棲菜藻體內(nèi)甘露醇的含量沒有顯著下調(diào)的趨勢[30]。

植物對重金屬脅迫的代謝反應較復雜，目前的研究主要集中于氨基酸、有機酸、糖類和少量多元醇等代謝物，其他代謝物對植物體的整體代謝影響有待于深入研究。

5 結語

代謝組學技術在植物重金屬脅迫研究領域中已經(jīng)取得了一些進展，拓展了對于植物耐受重金屬脅迫響應機理的認識。然而對于多樣復雜的應答脅迫代謝機制來說，目前的認識遠遠不夠。因此，將植物的生長生理指標與代謝組學相結合，并開展更多植物種類應答脅迫的代謝組學研究，將代謝組學與轉錄組學、基因組學以及蛋白質(zhì)組學等其他組學相結合，建立基因和代謝產(chǎn)物之間的完整網(wǎng)絡關系，進而從基因、蛋白和代謝角度全面闡述植物代謝規(guī)律。系統(tǒng)全面地認知植物應答脅迫的代謝規(guī)律和響應機制將有助于植物抗逆性改良并保障生產(chǎn)力的提高與穩(wěn)定?？傊?，隨著科學技術的發(fā)展以及植物學研究的不斷深入，代謝組學技術將會在植物應答重金屬脅迫研究領域發(fā)揮更大的作用。