植物耐鋁毒作用機(jī)制研究進(jìn)展

蔣琪 高智席 呂朝燕 胡海軍 韓暢

摘 要 鋁毒害是酸性土壤中作物生產(chǎn)的主要限制因子。針對(duì)土壤中Al元素的構(gòu)成、Al毒害表現(xiàn)、植物相關(guān)耐鋁機(jī)制及耐鋁基因的克隆等問題，綜述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。其中以主要農(nóng)作物水稻與小麥為例，對(duì)這兩種重要農(nóng)作物耐鋁毒研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，在比較二者研究?jī)?nèi)容的完善程度的同時(shí)，為今后參照水稻耐鋁毒研究，通過多種實(shí)驗(yàn)手段開展小麥系統(tǒng)化耐鋁毒研究提供參考和依據(jù)，并提出今后的研究動(dòng)向。

關(guān)鍵詞 植物；耐鋁毒；作用機(jī)制；小麥；水稻

中圖分類號(hào)：Q945 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.18.126

土壤酸度是世界范圍內(nèi)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制性因素。目前，世界上可耕地面積的40%為酸性土壤[1]，而在非可耕地中其面積更是高達(dá)約70%，共計(jì)39.5億hm2。酸性土壤約占我國(guó)國(guó)土面積的21%，總面積達(dá)到203萬hm2，主要遍及14個(gè)省區(qū)，尤以南方分布面積最廣[2]。酸性土壤肥力差的原因主要是金屬元素毒害和營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，但鋁毒是67%的酸性土壤中限制作物產(chǎn)量的主要制約因素。為了解決酸性土壤中的鋁毒害問題，人們經(jīng)常采用施加石灰和堿性肥料等方式改良土壤。這些措施雖能減輕鋁毒害問題，但無法改善深層土壤的酸度且經(jīng)濟(jì)成本太高。只有通過遺傳改良來獲得耐鋁作物品種，才是解決酸性土壤中鋁毒害的根本途徑。而在培育耐鋁植株的過程中，耐鋁基因資源的挖掘和利用則是至關(guān)重要的因素。編碼鋁激活蘋果酸分泌的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的抗鋁基因（ALMT1）已被成功克隆[3]，而將該基因成功轉(zhuǎn)入在麥類作物中對(duì)鋁最為敏感的大麥中表達(dá)后，通過分泌大量的蘋果酸螯合Al3+，降低Al3+的毒害，使大麥耐鋁能力大大增強(qiáng)。這不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了ALMT1基因的功能，而且也使通過轉(zhuǎn)基因手段提高酸性土壤上作物產(chǎn)量成為可能[4]。為了切實(shí)提高我國(guó)酸性土壤地區(qū)農(nóng)作物的產(chǎn)量，保證食品安全，我國(guó)也必需通過學(xué)習(xí)借鑒國(guó)際上成功的研究經(jīng)驗(yàn)，在植物耐鋁毒的分子機(jī)理研究上取得一定突破。因此，本文對(duì)植物耐鋁研究已有成果作簡(jiǎn)要闡述。

1 Al3+對(duì)植物的毒害

在植物的生長(zhǎng)過程中，A13+對(duì)植物的毒害首先是對(duì)植物根尖部分的損害，繼而抑制植物的根系生長(zhǎng)，最終影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與水分的吸收。根部的損害具體表現(xiàn)為主、側(cè)根變得短而堅(jiān)硬，根尖膨大受損，根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)減緩甚至停止[5，6]。根尖是A13+結(jié)合進(jìn)而誘導(dǎo)抑制根伸長(zhǎng)的主要位點(diǎn)。Delhaize等[7]研究發(fā)現(xiàn)，A13+脅迫下鋁主要積累在小麥根尖，并且導(dǎo)致其受到較嚴(yán)重的傷害，失去尖狀部分。

Al3+脅迫影響植物對(duì)Ca2+、、K+、PO43-等生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[8]。Al3+與磷在根表或質(zhì)外體發(fā)生吸附沉淀反應(yīng)，減少了磷進(jìn)入根內(nèi)及向地上部的運(yùn)輸，因此植株受到Al3+毒害時(shí)表現(xiàn)出類似于缺磷（P）的癥狀。A13+可阻斷小麥根細(xì)胞的K+通道，導(dǎo)致地上部出現(xiàn)缺鉀癥狀[9]。

A13+脅迫抑制DNA的合成和有絲分裂。A13+與DNA的磷酸基結(jié)合，使雙鏈解鏈的困難，降低模板的活性，從而抑制DNA復(fù)制，使染色體粘連，破壞有絲分裂紡錘絲，延遲染色體的形成，嚴(yán)重抑制有絲分裂過程[10]。

2 植物耐鋁機(jī)制

2.1 外部排斥機(jī)制

當(dāng)植物處于鋁脅迫環(huán)境時(shí)，植物細(xì)胞壁具有結(jié)合Al3+的能力，從而阻止Al3+與細(xì)胞膜結(jié)合或進(jìn)入共質(zhì)體。細(xì)胞壁果膠的自由羧基負(fù)電荷可固定根細(xì)胞質(zhì)外體自由空間的鋁。果膠甲基化程度高會(huì)導(dǎo)致其陽離子交換量降低，結(jié)合在果膠質(zhì)中的Al3+較少，從而減輕鋁毒害[11]。

有機(jī)酸分泌是植物耐鋁的最重要機(jī)制。Al3+與小分子有機(jī)物形成螯合物后，其生物毒性大大降低。植物根系分泌的物質(zhì)能有效絡(luò)合鋁離子，使鋁阻滯在粘膠層中，防止過多鋁進(jìn)入根細(xì)胞。根系分泌物特別是低分子量有機(jī)酸在緩解鋁毒方面具有重要作用，對(duì)鋁毒耐性的大量研究多集中于根系有機(jī)酸分泌的種類和數(shù)量上[12]。鋁毒誘導(dǎo)有機(jī)酸的分泌是植物的一種普遍適應(yīng)機(jī)制，具有螯合性的低分子量有機(jī)酸有檸檬酸、蘋果酸、酒石酸和草酸等。Delhaize等[13]利用小麥一對(duì)近等基因系為材料研究發(fā)現(xiàn)，抗性基因系分泌的蘋果酸是敏感基因系的5～10倍，根尖是蘋果酸分泌的主要部位，且蘋果酸的分泌是由Al3+專一性誘導(dǎo)的。

目前，在鋁毒害下，植物有機(jī)酸的分泌情況如下[14]：許多植物，如玉米、大麥、高粱、大豆和菜豆分泌檸檬酸；而蕎麥和芋分泌草酸。還有些植物如小麥、擬南芥和黑麥等同時(shí)分泌檸檬酸和蘋果酸。

2.2 內(nèi)部解毒機(jī)制

Al3+對(duì)大多數(shù)植物都會(huì)產(chǎn)生毒害，但有些植物體內(nèi)能夠積累大量的鋁而不表現(xiàn)出毒害癥狀，如茶樹、繡球花、蕎麥等，均能在體內(nèi)超積累鋁。由于A13+與細(xì)胞內(nèi)供氧化合物如DNA、RNA等物質(zhì)的親和性很高，鋁在這些植物體內(nèi)必然是以一些無毒或毒性較小的鋁形態(tài)存在。細(xì)胞溶質(zhì)中螯合劑（主要是有機(jī)酸）可有效地降低鋁的活性，降低其對(duì)植物的毒害。Ma等[15]發(fā)現(xiàn)，耐鋁性很強(qiáng)的繡球花體內(nèi)含有大量的鋁，且77%的鋁都位于細(xì)胞汁液中，主要是以可溶性Al3+-檸檬酸（1∶l摩爾比）形式存在。該復(fù)合物經(jīng)過提純被用于玉米鋁脅迫實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明其不會(huì)抑制玉米根的伸長(zhǎng)，而同濃度的單體鋁處理使玉米根系顯著受到抑制。

3 從植物中克隆的耐鋁基因

3.1 與分泌蘋果酸相關(guān)的耐鋁基因的克隆

第一個(gè)分泌蘋果酸的基因是在小麥中發(fā)現(xiàn)的[3]，即TaALMT1基因，本文將在小麥的抗鋁毒機(jī)制中對(duì)該基因進(jìn)行詳細(xì)介紹。在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)了AtALMT1基因，該基因與小麥的ALMT1同源性較高，也編碼分泌蘋果酸的轉(zhuǎn)運(yùn)子[16]。

3.2 與分泌檸檬酸相關(guān)的耐鋁基因的克隆

MATE基因家族與分泌檸檬酸相關(guān)，已有多個(gè)基因被克隆出來：SbMATE來自高粱[14]、HvAACT1來自大麥[17]、FRD3基因[18]和AtMATE[19]來自擬南芥、ZmMATE1來自玉米[20]，OsFRDL1來自水稻[21]，TaMATE1B基因來自于小麥[22]。

Magalhaes等[14]從高粱中克隆的耐鋁基因SbMATE通過鋁誘導(dǎo)激活檸檬酸的分泌。不同高粱品種SbMATE基因表達(dá)差異是由啟動(dòng)子區(qū)一段重復(fù)序列的不同造成的，該重復(fù)序列的拷貝數(shù)與耐鋁性呈現(xiàn)正相關(guān)。

Furukawa等[17]從大麥中克隆了耐鋁基因HvAACT1，同樣需要鋁來激活檸檬酸的分泌。但是HvAACT1在根基部的表達(dá)量最高，而SbMATE及小麥中ALMT1基因的表達(dá)量在根尖最高。

FRD3基因的主要功能是通過向植物根系的微管分泌檸檬酸，將鐵從植物的根系運(yùn)輸?shù)街仓甑娜~片中。當(dāng)在擬南芥中過量表達(dá)FRD3后，4個(gè)轉(zhuǎn)基因株系的耐鋁性有很大提高，檸檬酸的分泌量也比野生型高出好多倍[18]。

Tovkach等[22]首次從小麥中克隆出編碼檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的TaMATE1B基因。該基因的上游序列在耐鋁植株與鋁敏感植株中存在差異：鋁敏感植株的上游序列2kb的地方出現(xiàn)SNP位點(diǎn)，而耐鋁植株在上游序列25bp的地方含有一個(gè)11.1kb類似轉(zhuǎn)座子插入元件，該轉(zhuǎn)錄子元件加強(qiáng)了耐鋁植株的耐鋁能力。

3.3 其他耐鋁基因

STOP1缺失的突變體表現(xiàn)出對(duì)Al3+的敏感性。STOP1是屬于Cys2His2類型的鋅指結(jié)構(gòu)蛋白的一類轉(zhuǎn)錄因子，它在Al3+存在情況下能夠調(diào)節(jié)AtALMT1基因的表達(dá)。Al3+誘導(dǎo)表達(dá)的耐鋁基因AtMATE1和ALS3均受到STOP1的控制[19]。

STAR1和STAR2被基因敲除時(shí)，植株均表現(xiàn)出鋁敏感性。STAR1編碼一個(gè)細(xì)菌型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的核苷酸結(jié)合區(qū)域，而STAR2則編碼其跨膜區(qū)域[23]。STAR1和STAR2均在根部表達(dá)，且均是在Al3+誘導(dǎo)下進(jìn)行表達(dá)，但是對(duì)于其如何對(duì)耐鋁能力產(chǎn)生影響的機(jī)制目前尚不清楚。

澳大利亞小麥品種Fronteira在酸性土壤中種植時(shí)其根部會(huì)出現(xiàn)沙鞘現(xiàn)象（土壤顆粒與根表分泌物及根毛間相互交接、纏繞形成的土壤連續(xù)體）。Delhaize[24]發(fā)現(xiàn)，沙鞘現(xiàn)象與根毛的長(zhǎng)度和植株的耐鋁能力成正相關(guān)。但迄今為止，控制該性狀的基因尚未被克隆。

4 小麥抗鋁毒機(jī)制研究進(jìn)展

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，對(duì)其在酸性土壤中耐鋁機(jī)制的研究顯得尤為重要。有機(jī)酸分泌機(jī)制是小麥抗鋁毒的主要機(jī)制，抗性小麥主要通過分泌蘋果酸螯合根際的Al3+減輕其毒害，部分小麥品種也分泌檸檬酸以達(dá)到減輕鋁毒的效果。

Sasaki[3]通過差減雜交分離cDNA得到了高量表達(dá)于耐鋁小麥品系ET8根尖的TaALMT1基因，該基因編碼鋁誘導(dǎo)下激活蘋果酸釋放的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。TaALMT1基因異源表達(dá)后引起鋁誘導(dǎo)的蘋果酸外流，可提高煙草細(xì)胞的耐鋁性。小麥TaALMT1至少有TaAMLT1-1和TaAMLT1-2兩個(gè)等位基因，但TaALMT1-1比TaALMT1-2更有效。Raman等[25]通過節(jié)節(jié)麥的BAC克隆獲得了TaALMT1基因的序列，并以此序列為基礎(chǔ)獲得了13個(gè)小麥材料的TaALMT1基因。TaALMT1-1和TaALMT1-2序列存在44個(gè)SNP位點(diǎn)及少量的插入缺失位點(diǎn)的差異。位于第4個(gè)外顯子上的SNP被用于設(shè)計(jì)CAPS標(biāo)記區(qū)分TaALMT1-1和TaALMT1-2，但TaALMT1的等位基因類型并不代表小麥的耐性，耐鋁性高低主要取決于TaALMT1等位基因的表達(dá)水平。

Sasaki[26]研究發(fā)現(xiàn)，小麥根尖TaALMT1基因受其上游序列調(diào)控表達(dá)而表現(xiàn)不同的耐鋁性。根據(jù)34個(gè)非日本起源小麥TaALMT1上游基因序列的A、B、C、D四個(gè)重復(fù)區(qū)塊的數(shù)量、組成將小麥TaALMT1上游序列分為6種類型。不同上游序列類型影響小麥根尖TaALMT1基因的表達(dá)水平，從而表現(xiàn)不同的耐鋁特性，但日本起源的小麥品種并不符合這一模型。

MATE基因家族與檸檬酸分泌相關(guān)的基因在小麥中被克隆，這也是小麥耐鋁的另一種重要模式。該基因的特性上文已經(jīng)提及，在此不再贅述。

5 水稻高抗鋁毒機(jī)制

在近期對(duì)水稻的研究當(dāng)中，多個(gè)抗鋁毒基因相繼被克隆。STAR1是一個(gè)編碼只含ATP結(jié)合盒（ABC）的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它能夠和另一個(gè)只編碼跨膜結(jié)構(gòu)域的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白STAR2相互作用，所形成的復(fù)合體STAR1/STAR2能夠轉(zhuǎn)運(yùn)UDP-glucose到細(xì)胞外進(jìn)行細(xì)胞壁修飾，從而最終達(dá)到解鋁毒的目的[23]；Nart1是一個(gè)定位在細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它負(fù)責(zé)把質(zhì)外的鋁轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)來減輕鋁對(duì)細(xì)胞壁或細(xì)胞膜的毒性[27]；OsALS1則是一個(gè)編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白并定位在液泡的基因，OsALS1負(fù)責(zé)把細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的鋁隔離到液泡來解除鋁毒[28]；雖然有機(jī)酸分泌機(jī)制不是水稻抗鋁毒的主要機(jī)制，但是在較高鋁毒條件下，通過OsFRDL4轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸到細(xì)胞外來螯合鋁對(duì)水稻抗鋁毒過程也有一定的貢獻(xiàn)[29]；ART1是一個(gè)特異參與抗鋁毒過程的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子[30]，它通過調(diào)控下游的包括所有以上抗鋁毒基因在內(nèi)的31個(gè)基因的表達(dá)來進(jìn)行解鋁毒。

6 結(jié)語

小麥?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)重要的糧食作物之一，部分小麥品種如Atlas66，ET8等具有良好的抗鋁毒特性，但前人的研究主要集中在找尋相關(guān)耐鋁基因，并試圖解釋其相關(guān)功能，并未能從植物抗鋁毒整個(gè)體系對(duì)抗鋁毒進(jìn)行說明，進(jìn)而解釋清楚小麥耐鋁毒體系所包含的基因功能及其相互關(guān)聯(lián)作用。近期在水稻抗鋁毒研究中多個(gè)抗鋁毒基因的克隆，為水稻抗鋁毒體系的闡明奠定了基礎(chǔ)，一張清晰的水稻抗鋁毒機(jī)制圖譜隱約可見，而這方面的系統(tǒng)性研究正是小麥抗鋁毒研究所缺乏的。因此，在今后的小麥耐鋁毒研究中，我們應(yīng)通過多種實(shí)驗(yàn)手段，發(fā)現(xiàn)小麥抗鋁毒機(jī)制中所涉及的重要基因及其之間的相互作用關(guān)系，闡明這些基因在在小麥抗鋁毒過程所起的重要作用，力圖為小麥耐鋁毒機(jī)制的闡明提供有力支撐，這將是今后小麥耐鋁毒研究的重要發(fā)展方向，也是豐富植物耐鋁毒研究的重要內(nèi)容。

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（責(zé)任編輯：劉昀）