緩解植物重金屬脅迫傷害的途徑及其機(jī)理

姚 慧，蔡慶生

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

土壤是人類賴以生存的重要資源，它對(duì)環(huán)境的變化具有高度敏感性。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，許多重金屬污染物通過大氣沉降、地礦滲漏及工業(yè)廢水、生活污水等途徑進(jìn)入土壤［1］，使土壤中富集過多的重金屬。重金屬指比重大于4或5的金屬，約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、釩、鈮、鉭、鈦、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。這些金屬元素如超過背景含量，就可能導(dǎo)致植物生長受到抑制、發(fā)育異常甚至中毒死亡，所以在重金屬高度污染的地區(qū)很難有植物能生長存活，造成土地浪費(fèi)。前人研究表明，金屬對(duì)植物的毒性可能是金屬和蛋白中的巰基結(jié)合而導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性的抑制或結(jié)構(gòu)的破壞，也可能是由于蛋白中的關(guān)鍵元件被取代造成缺陷影響［2］，或者是金屬離子對(duì)植物代謝造成的次級(jí)脅迫。近年來，科學(xué)工作者做了很多的研究工作來探索提高植物體內(nèi)重金屬抗逆性的方法，希望能實(shí)現(xiàn)重金屬污染土地的再利用。本文介紹幾種提高植物重金屬耐受性的方法。

1 礦質(zhì)元素對(duì)植物重金屬耐受性的影響

某些礦質(zhì)元素能增強(qiáng)植物對(duì)特定重金屬脅迫的耐受性，例如硫、鉀可以減輕植物受銅脅迫的程度;鈣和硅能夠降低過量鋁離子對(duì)植物的傷害;硼、硒等礦質(zhì)元素對(duì)植物抗鉛污染有很好的促進(jìn)作用。這些礦質(zhì)元素都是植物生長的必需元素，其增強(qiáng)植物對(duì)重金屬耐受性的機(jī)理是通過增加植物的必需元素的攝入量，使植物生長更旺盛，抗逆性增強(qiáng)，從而增強(qiáng)植物抗重金屬脅迫的能力。

1.1 對(duì)植物抗銅脅迫的影響

研究表明，礦質(zhì)元素硫和鉀能減輕植物受銅脅迫的程度。王海鷗等［3］在提高水稻的銅耐受性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，較高濃度的硫 (10 mmol·L-1)能抑制植物根部對(duì)銅的吸收積累，還可以激活抗氧化酶類活性，消除脅迫產(chǎn)生的膜脂過氧化脅迫，因此能較快降低銅離子毒性。GSH(谷胱甘肽)和 Cys(半胱氨酸)等小分子巰基化合物的存在也可以緩解重金屬毒害。除硫以外，外源鉀亦可減輕植物受銅脅迫的程度。陳雪梅等［4］發(fā)現(xiàn)，鉀能明顯提高銅脅迫下三葉草種子的萌發(fā)率，促進(jìn)幼苗生長，使生物量、光合色素含量顯著增加，同時(shí)幼苗葉片細(xì)胞膜透性顯著下降，表明鉀對(duì)三葉草的銅毒害有緩解作用。

1.2 對(duì)植物抗鋁脅迫的影響

鈣和硅對(duì)增強(qiáng)植物抗鋁脅迫的能力也有很好的效果。席玉英等［5］研究證明，鈣、鋅能抑制玉米幼苗對(duì)鎘、鉛的吸收和運(yùn)輸。鈣離子能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜，對(duì)于鋁過量引起的破壞植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的情況有很好的抑制作用。然而鈣增強(qiáng)植物抗鋁脅迫能力的機(jī)制仍有爭(zhēng)議:一部分人認(rèn)為，A13+脅迫下Ca2+能增強(qiáng)玉米幼苗保護(hù)酶 SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過氧化物酶)和CAT(過氧化氫酶)的活性，從而減少自由基的積累，降低鋁離子脅迫的傷害［6］;另一部分人認(rèn)為，根細(xì)胞鈣含量增加能夠提高根系液泡膜 H+-ATPase，H+-PPase，Ca2+-ATPase活性，減輕鋁對(duì)細(xì)胞正常功能的影響，降低鋁毒害作用［7］;還有人認(rèn)為，鋁離子和鈣離子對(duì)保護(hù)酶活性的拮抗關(guān)系可能與兩者競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合鈣調(diào)素 (CaM)的結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)，兩者通過影響CaM的結(jié)構(gòu)與功能從而影響到靶酶的活性。究竟何種說法正確至今尚無定論。鈣不僅能緩解鋁毒害作用，還能降低土壤中銅、鎘、鉛等重金屬的污染程度［8］。此外，硅也能緩解鋁對(duì)水稻的毒害，且對(duì)鋁敏感品種比耐鋁品種效果更好［9］。硅通過促進(jìn)植物生長、局部化和鈍化重金屬離子來緩解重金屬對(duì)植物的毒害，其作用機(jī)理是可溶性硅酸鹽在水溶液中水解生成凝膠狀H4SiO4，從而吸附有毒金屬離子及其他有害物質(zhì)［10］。在農(nóng)田中施加硅肥不僅能增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，還能有效地防止鎘元素對(duì)農(nóng)作物的污染［11］。

1.3 對(duì)植物抗鉛脅迫的影響

硼和硒能夠影響植物抗鉛脅迫的能力。王學(xué)以水生植物蜈蚣萍為實(shí)驗(yàn)材料研究發(fā)現(xiàn)，施加外源硼能有效緩解鉛毒害。鉛對(duì)植物的毒害機(jī)理是隨著鉛濃度的升高，植物體內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白含量逐漸下降，抗氧化酶系統(tǒng)的平衡被打破，過氧化根離子產(chǎn)生速率急劇上升。而外施硼有效維持了抗氧化酶系統(tǒng)的平衡，降低了過氧化根離子產(chǎn)生速率，并提高了鉛脅迫下蜈蚣萍葉內(nèi)可溶性蛋白和葉綠素含量，從而緩解植物所受的鉛毒害［12］。另外，硒元素也能緩解植物鉛脅迫。劉燕等［13］研究表明，低硒濃度有利于緩解鉛對(duì)油菜重金屬毒害作用，促進(jìn)油菜的根冠比、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、葉綠素含量的增加，促進(jìn)油菜的生長;但是高硒濃度則會(huì)降低油菜的各種生理活性，阻礙其生長。

2 植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)植物重金屬耐受性的影響

植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)如脫落酸 (ABA)、水楊酸等，能通過調(diào)節(jié)植物的生長狀況來改善重金屬脅迫下植物的生長狀況，增強(qiáng)其抗逆性。脫落酸是一種植物內(nèi)源激素，它能誘導(dǎo)植物對(duì)低溫、鹽害、重金屬等非生物脅迫的抗性，趙鸝等［14］研究發(fā)現(xiàn)施加外源ABA，能有效恢復(fù)汞脅迫下種子萌發(fā)活力，增強(qiáng)植物的抗逆性。水楊酸作為一種植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，也能影響植物對(duì)重金屬的耐受性。陳珍等［15］研究表明植物在重金屬脅迫下，利用水楊酸處理或預(yù)處理都能促進(jìn)植物的生長，降低質(zhì)膜透性，減少丙二醛的積累，促進(jìn)根系生長，使其能正常發(fā)揮吸收功能，并推測(cè)水楊酸可能通過參與調(diào)節(jié)光合作用速率和效率來增強(qiáng)植物對(duì)重金屬脅迫的抗性。

3 微生物對(duì)植物抗重金屬能力的影響

在長期受重金屬脅迫的土壤中，某些種類微生物 (細(xì)菌、真菌等)能產(chǎn)生抗性來減輕重金屬的毒害作用。在植物根際-微生物系統(tǒng)中，微生物可分泌出質(zhì)子、有機(jī)物質(zhì)、酶等，對(duì)土壤中的重金屬起活化作用［16］，如某些細(xì)菌分泌出的酸性磷酸酶，對(duì)重金屬有很強(qiáng)的活化作用［17］。細(xì)菌、真菌、內(nèi)生菌根和外生菌根對(duì)重金屬有吸收和吸附的作用，微生物吸收重金屬后、代謝分泌物與重金屬結(jié)合后，改變了重金屬的形態(tài)，如離子態(tài)的重金屬形成金屬-有機(jī)物結(jié)合態(tài)，減輕了重金屬在土壤中的毒性［18］。目前微生物強(qiáng)化植物修復(fù)方面的研究多集中于菌根真菌的研究，菌根真菌是改進(jìn)超富集植物修復(fù)性能的有效手段，在修復(fù)遭受重金屬污染的土壤方面發(fā)揮特殊的作用［19］。菌根減輕了植物在重金屬污染土壤中的受害程度，對(duì)于植物抵抗重金屬傷害至為重要［20］。通過篩選重金屬鉛鎘抗性菌株、增強(qiáng)植物抗重金屬能力來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化植物修復(fù)鉛鎘污染土壤是非常有效的手段［21］。

4 基因工程強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤能力

通過基因工程技術(shù)提高植物對(duì)重金屬的耐受能力，增加或減少重金屬在植物體內(nèi)的累積量，是進(jìn)行污染土壤的生態(tài)恢復(fù)以及減少食物鏈重金屬污染的有效途徑。支力峰等［22］研究發(fā)現(xiàn)，過量表達(dá)脯氨酸的轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞對(duì)毒性重金屬的抗性有所增強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將飛蛾豆p5cs基因整合到煙草細(xì)胞基因組中，并在轉(zhuǎn)基因煙草中得以表達(dá)。轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞中的脯氨酸含量比野生型細(xì)胞提高了80%，在毒性鎘脅迫下生長情況比野生型好。其原理是當(dāng)遭受重金屬毒害時(shí)，植物細(xì)胞會(huì)大量積累脯氨酸，而脯氨酸能夠緩解細(xì)胞質(zhì)酸度，防止細(xì)胞質(zhì)酸中毒，還能將NADP+/NADPH的比值維持在代謝速率水平［23］。在野生型細(xì)胞內(nèi)鎘大量積累而無法清除，細(xì)胞中自由基增多，導(dǎo)致蛋白質(zhì)、脂類及其他生物分子發(fā)生非特異性破壞［24］;而轉(zhuǎn)基因煙草的細(xì)胞質(zhì)中由于鎘所引起的自由基能被脯氨酸清除。該實(shí)驗(yàn)說明脯氨酸直接充當(dāng)抗氧化劑，保護(hù)細(xì)胞免受自由基的損傷，并維持細(xì)胞較還原的細(xì)胞質(zhì)狀態(tài)，即高GSH水平。GSH與Cd的絡(luò)合物 (GS-Cd)作為植物重金屬螯合肽PC合成的底物，促進(jìn)PC大量合成，PC與鎘螯合，從而將鎘從細(xì)胞中清除［25］。柴團(tuán)耀等［26］研究發(fā)現(xiàn)，將重金屬特異誘導(dǎo)基因PvSR2(法國菜豆中克隆產(chǎn)生)導(dǎo)入到煙草中后，與野生型煙草相比，PvSR2轉(zhuǎn)基因煙草具有抗重金屬鎘的能力。在鎘脅迫下，轉(zhuǎn)基因煙草植株的根長和生物量都比對(duì)照組大，鎘在根部及葉片內(nèi)的累積比對(duì)照少，表明PvSR2基因過量表達(dá)可能有助于提高植物抗重金屬的能力［27］。其對(duì)重金屬毒害的防御機(jī)制是利用PC和金屬硫蛋白 (MT)等金屬螯合物與重金屬螯合形成復(fù)合物，使金屬離子失活，降低毒性［28］。

5 其他提高植物重金屬耐受性的方法

除上述之外，還可通過其他途徑來提高植物抗重金屬能力。例如渾河水、外源亞精胺、外源有機(jī)酸的合理使用能增強(qiáng)植物耐鎘脅迫的能力，稀土元素也可以增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐受性。

邱晨曦等［29］的研究表明渾河水能增強(qiáng)玉米植株對(duì)鎘的耐受性。其作用機(jī)制是渾河水通過誘導(dǎo)玉米細(xì)胞內(nèi)的超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)和過氧化氫酶 (CAT)活性而使植株對(duì)鎘的耐受性增強(qiáng)，達(dá)到修復(fù)重金屬污染土壤的目的。有研究表明，外施亞精胺可明顯提高植物對(duì)重金屬脅迫的耐受水平［30］。徐勤松等［31］通過槐葉萍實(shí)驗(yàn)，證明在重金屬Cd的脅迫下，外源亞精胺(Spd)通過維持槐葉萍抗氧化系統(tǒng)的較高活性或含量，從而有效減少活性氧對(duì)葉綠素分子的過氧化損傷，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成或抑制其分解，緩解了鎘對(duì)槐葉萍的污染脅迫，提高了對(duì)鎘的耐受性，從而增強(qiáng)植物適應(yīng)重金屬逆境的能力。另外，施加某些外源有機(jī)酸也能增強(qiáng)植物抗鎘脅迫的能力。Blaylock等［32］通過實(shí)驗(yàn)證明，添加 EDTA、DTPA和檸檬酸等有機(jī)酸能使印度芥菜地上部鎘含量顯著提高。原海燕等［33］研究發(fā)現(xiàn)施加外源有機(jī)酸EDTA、檸檬酸對(duì)馬藺修復(fù)鎘污染有很大的潛力，其反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)酸的添加加劇了馬藺葉片膜脂過氧化程度，導(dǎo)致MDA(丙二醛)含量增加，SOD和POD活性隨之升高，從而增強(qiáng)了馬藺抗氧化脅迫能力，使生理抗性增強(qiáng)。稀土元素對(duì)于增強(qiáng)植物重金屬耐受性也有很大的作用。郜紅建等［34］認(rèn)為某些稀土元素 (La等)能減輕重金屬污染，其作用機(jī)理是阻止植株對(duì)鉛的吸收，降低其在體內(nèi)的富集，從而減輕引發(fā)的膜脂過氧化反應(yīng)，同時(shí)通過對(duì)光合作用、硝酸還原酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物岐化酶三大保護(hù)酶及質(zhì)膜穩(wěn)定性等生理功能的調(diào)控，增強(qiáng)植物的抗逆性。稀土具有高效、低成本、低毒等特點(diǎn)，它對(duì)植物紫外輻射、鹽脅迫、酸雨脅迫、重金屬脅迫等都有很大的緩解作用，應(yīng)用前景廣闊［35］。

此外，在水稻生產(chǎn)中，還可以通過翻耕、客土與換土、施用改良劑和植物修復(fù)等方法來降低土壤中重金屬的含量。

6 小結(jié)

近年來，地球上的土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重，污染面積越來越大。要利用污染土地資源種植作物，就需不斷探索增強(qiáng)植物重金屬耐受性的方法。本文綜述的方法有些已經(jīng)比較成熟，有些仍存在疑問，如鈣離子提高植物對(duì)鋁脅迫耐受性的作用機(jī)理至今仍眾說紛紜，未有定論。相信隨著研究的深入，將會(huì)有更多更完善的方法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，造福于人類。

［1］Mascher R L，Ippmann B，Holzinger S，et al.Arsenate toxicity:Effects on oxidative stress response molecules and enzymes in red clover plants［J］.Plant Sci，2002，143:1-9.

［2］Vanassche F，Clijsters H.Effects of metals on enzyme activity in plants［J］.Plant Cell and Environment，1990(13):195-206.

［3］王海鷗，鐘廣蓉，徐海洋，等.S元素對(duì)水稻耐重金屬 Cu毒性的影響 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(6):2319-2324.

［4］陳雪梅，姚婧，王友保，等.外源鉀對(duì)銅脅迫三葉草種子萌發(fā)與幼苗生長的影響 ［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，31(5):464-468.

［5］席玉英，郭棟生，宋玉仙，等.鈣、鋅對(duì)玉米幼苗吸收鎘、鉛的影響 ［J］.山西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1994，17(1):101-103.

［6］束良佐，楊紅梅.鈣對(duì)鋁脅迫下玉米幼苗膜保護(hù)酶及其它一些生理指標(biāo)的影響 ［J］.阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，18(1):20-22.

［7］何龍飛，沈振為，劉友良.鋁脅迫下鈣對(duì)小麥根液泡膜功能和膜脂組成的影響 ［J］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，23(1):10-13.

［8］楊廷良，崔國賢，羅中欽，等.鈣與植物抗逆性研究進(jìn)展［J］.作物研究，2004(5):380-384.

［9］Rahmn M T，KawamureK，KoyamaH，etal.Varietal differences in the growth of rice pliants in response to aluminum and silicon ［J］.Soil Sci and Plant Nu-tr，1998，44(3):423-433.

［10］房江育，馬雪瀧.硅與植物抗逆性研究進(jìn)展 ［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005，21(11):304-306.

［11］田福平，陳子萱，張自和，等.硅對(duì)植物抗逆性作用的研究［J］.中國土壤與肥料，2007(3):10-14.

［12］王學(xué).外源硼緩解鉛對(duì)蜈蚣萍毒害作用的研究 ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(23):9861-9862，9969.

［13］劉燕，蔣光霞.硒對(duì)鉛脅迫下油菜酶活性及葉綠素含量的影響 ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(18):7554-7555，7849.

［14］趙鸝，夏更壽，李莉萍.外源ABA預(yù)處理對(duì)Pb脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響 ［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008，26(2):153-156.

［15］陳珍，朱誠.水楊酸在植物抗重金屬元素脅迫中的作用［J］.植物生理學(xué)通訊，2009，45(5):497-502.

［16］陶紅群，李曉林，張俊伶.叢枝根菌絲對(duì)重金屬元素和吸收的研究 ［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(5):545-548.

［17］Whiting S N. Rhizospherebacteria Mobilize Zn for Hyperaccumulation by Thlaspi Caerulescens［J］.Environ Sci Technol，2001，35(15):3144-3150.

［18］蔡信德，仇榮亮，陳桂珠.微生物在鎳污染土壤修復(fù)中的作用 ［J］.云南地理環(huán)境研究，2005，17(3):9-12，17.

［19］夏娟娟.植物促生內(nèi)生細(xì)菌的篩選及其強(qiáng)化油菜富集土壤鉛鎬重金屬的研究 ［D］.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006:26-27.

［20］Weissenhorn I， LeyvalC， Belgy G， etal. Arbuscular mycorrhizal contribution to heavy metal uptake by maize(Zea maysL.)in potculture with contaminated soil ［J］.Mycorrhiza，1995，5:245-251.

［21］江春玉.重金屬鉛鎬抗性菌株的篩選、生物學(xué)特性及其強(qiáng)化植物修復(fù)鉛鎬污染土壤的研究 ［D］.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005:21-22.

［22］Verma D P S.Osmotic stress tolerance in plants:Role of praline and sulfurmetalbolisms［G］//Shinozzki K，Yamaguchi-Shinozaki K. Molecular Responses to Cold，Drought，Heat and Salt Stress in Higher Plants.Austin，TX:R G Landers，1999:153-168.

［23］Hare P D，Cress W A.Metabolism implications of stressinduced proline accumulation in plants ［J］.Plant Growth Regul，1997，21:79-102.

［24］Schutzendubel A，Schwanz P，Matysik J，et al.Cadmiuminduced changes in antioxidative system，hydrogen peroxide content，and differentiation in Scots pine roots ［J］.Plant Physiol，2001，127:887-898.

［25］支立峰，余濤，朱英國，等.過量表達(dá)脯氨酸的轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞對(duì)毒性重金屬的抗性增強(qiáng) ［J］.湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，26(2):14-19.

［26］柴團(tuán)耀，陳瓊，張玉秀，等.菜豆重金屬響應(yīng)基因PvSR2在煙草中的表達(dá)及鎘抗性分析 ［J］.中國科學(xué)，2003，33(5):391-397.

［27］Zhang Y X，Chai T Y，Zhao W M，et al.Cloning and expression analysis of the heavy-metal responsive gene PvSR2 from bean ［J］.Plant Science，2001，161(4):783-790.

［28］Zhang Y X，Chai T Y，Burlard G.Heavy metal tolerance mechanisms in plants［J］.Acta Bot sin，1999，41(5):453-457.

［29］邱晨曦，郝林.沈陽渾河水對(duì)玉米耐受和積累重金屬Cd的影響 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(增刊):507-511.

［30］Wang X，Shi G-X，Xu Q-S，et al.Exogenous polyamines enhance copper tolerance of N ym phoides peltatum ［J］.Journal of Plant Physiology，2007，164:1062-1070.

［31］徐勤松，施國新，王紅霞，等.外源亞精胺對(duì)槐葉蘋耐鎘脅迫的增強(qiáng)效應(yīng) ［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19(11):2521-2526.

［32］Blaylock M J，Salt D E，Dushenkov S，et al.Enhanced accumulation of Pb in Indian Mustard by soil-applied chelating agents［J］.Environmental Science ＆ Technology，1997，31(3):860-865.

［33］原海燕，黃蘇珍，郭智，等.外源有機(jī)酸對(duì)馬藺幼苗生長、Cd積累及抗氧化酶的影響 ［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16(4):1079-1084.

［34］郜紅建，常江，張自立，等.稀土在植物抗逆中的生理作用［J］.中國稀土學(xué)報(bào)，2003，21(5):487-490.

［35］王學(xué).稀土與植物抗逆性關(guān)系的研究進(jìn)展 ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(3):1133-1134.