植物積累重金屬的機(jī)理研究進(jìn)展

黃白飛，辛俊亮

（湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程系，湖南 衡陽(yáng)421002）

由自然過(guò)程或人類活動(dòng)如采礦、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的重金屬污染已引起了廣泛的關(guān)注［1，2］。在重金屬污染中，鎘和鉛的污染最為廣泛。U.S.EPA（美國(guó)環(huán)保局）將鎘和鉛分類為B類污染物（可能的人類致癌物）［3］。植物能從土壤中吸收必需元素如Fe、Cu、Ni和Zn，也會(huì)從土壤中吸收非必需元素如Cd、Pb、Hg、Cr和 As［4，5］。鎘和鉛被植物吸收后，會(huì)在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，對(duì)植物的生理活動(dòng)產(chǎn)生影響，并且進(jìn)入食物鏈，影響人類健康。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物對(duì)重金屬的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理的研究報(bào)道很多，本研究從植物各部位對(duì)重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)作用及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因等方面研究進(jìn)行總結(jié)。

一般而言，鎘、鉛在植物各部位含量的順序?yàn)椋焊救~＞果實(shí)＞種子。因此，植物從土壤中吸收的鎘、鉛大部分留在根中，只有少部分被轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部［6］。鎘、鉛到達(dá)可食部位特別是種子和果實(shí)中要經(jīng)過(guò)許多細(xì)胞壁及細(xì)胞膜障礙。

1 鎘、鉛在根中的積累及分布

植物的根尖可以分泌黏液，將生長(zhǎng)的根包圍。這層黏液結(jié)合重金屬的能力（因此阻止重金屬的吸收）與重金屬對(duì)黏液中生物大分子功能基團(tuán)的結(jié)合能力直接相關(guān)。黏液的主要成分是糖類，最重要的功能基團(tuán)是羰基和羥基［7］。重金屬對(duì)糖醛酸的結(jié)合能力由大到小排序依次是：Pb2＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Zn2＋。金屬對(duì)根尖黏液的結(jié)合能力越強(qiáng)，就越難進(jìn)入根中［8］。鉛對(duì)這些基團(tuán)表現(xiàn)出高親和力，因此，鉛在根表皮細(xì)胞中的含量相對(duì)較低。

重金屬離子通過(guò)質(zhì)膜是植物吸收和積累重金屬的第1步。一般而言，植物根部的Cd主要在質(zhì)外體積累，尤其是細(xì)胞壁中。細(xì)胞壁是保護(hù)細(xì)胞原生質(zhì)體不受重金屬毒害的第1道屏障［9］。Cd與細(xì)胞壁結(jié)合能減輕Cd對(duì)植物的毒害，尤其是在短時(shí)間和低濃度Cd作用下這一機(jī)制顯得尤為重要。細(xì)胞初生細(xì)胞壁中纖維素、果膠質(zhì)和糖蛋白等形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在許多大小不一的網(wǎng)孔。在較小的網(wǎng)孔處，帶正電的Cd離子被細(xì)胞壁中帶負(fù)電的親Cd物質(zhì)所吸附。果膠質(zhì)中多聚半乳糖醛酸的羧基基團(tuán)起離子交換的作用，能吸收和固定Cd離子。各種重金屬對(duì)細(xì)胞壁組分的結(jié)合能力與金屬和碳水化合物中的羧基復(fù)合物穩(wěn)定常數(shù)相關(guān)。各種重金屬與多聚半乳糖醛酸的結(jié)合力順序是Pb＞Cr＞Cu＞Cd＞Zn，這可以解釋不同金屬在組織中的轉(zhuǎn)運(yùn)速率不一樣［8］。

根的皮層細(xì)胞可積累大量的鎘、鉛。皮層明顯增加了根的直徑并導(dǎo)致根表面積增加，這對(duì)結(jié)合重金屬非常重要。重金屬主要是與皮層的細(xì)胞壁結(jié)合。有研究表明，黃花茅（Anthoxanthumodoratum）鉛耐性株系根中的鉛大多分布在細(xì)胞壁，而鉛敏感株系根中的鉛大多分布在高度紊亂的細(xì)胞質(zhì)［10］。重金屬主要與根皮層細(xì)胞壁結(jié)合，這可以看作是解毒的一種形態(tài)生理學(xué)機(jī)理，用低的代謝活動(dòng)將金屬限制在細(xì)胞區(qū)室。鎘和鉛在細(xì)胞壁中有分布，在質(zhì)體表面也有分布。有研究發(fā)現(xiàn)洋蔥（Alliumcepa）根中有大量的鉛在質(zhì)膜的外表面聚集。因此，細(xì)胞壁積累重金屬的同時(shí)，質(zhì)膜作為最重要的細(xì)胞間障礙限制了質(zhì)外體離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)［8］。重金屬在原生質(zhì)體表面的積累可能擾亂質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能。這些干擾可以促進(jìn)重金屬被動(dòng)進(jìn)入到細(xì)胞中。

中柱和皮層由內(nèi)皮層隔開(kāi)。內(nèi)皮層的一個(gè)典型特征是凱氏帶的出現(xiàn)。凱氏帶是一種整合的結(jié)構(gòu)而不只是簡(jiǎn)單的細(xì)胞壁加厚，它的木栓質(zhì)沉積延伸到胞間層［11］。一方面，凱氏帶作為一種不可滲透的屏障阻止質(zhì)外體離子從皮層進(jìn)入中柱，另一方面，它作為滲透障礙防止中柱的溶液泄漏［12］。內(nèi)皮層的屏障作用是基于內(nèi)皮層細(xì)胞壁的不可滲透性。因此，溶質(zhì)必須經(jīng)過(guò)原生質(zhì)體進(jìn)入，這樣就能調(diào)節(jié)水分和各種溶質(zhì)的運(yùn)輸。內(nèi)皮層具有屏障作用是因?yàn)閯P氏帶中出現(xiàn)了木栓質(zhì)，也因?yàn)槌墒靸?nèi)皮層具有獨(dú)特的超微結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡圖片顯示，位于凱氏帶附近的質(zhì)膜平滑且比細(xì)胞其他部分要厚，它緊緊地貼在細(xì)胞壁，這樣就能保證細(xì)胞壁和細(xì)胞膜之間的緊密接觸。在許多植物中，內(nèi)皮層是鉛轉(zhuǎn)運(yùn)到中柱過(guò)程中最重要的障礙［8］。

然而，內(nèi)皮層的障礙作用不只是由細(xì)胞壁的栓化作用決定的，也與緊貼凱氏帶的細(xì)胞質(zhì)膜的滲透性相關(guān)。此時(shí)離子通過(guò)細(xì)胞間隙轉(zhuǎn)運(yùn)幾乎是不可能的，而細(xì)胞具有控制離子進(jìn)入原生質(zhì)體的能力［13］。非原生質(zhì)體中的毒性離子存在一個(gè)閾值（可能是在細(xì)胞間隙中），高于這個(gè)值，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)，膜的通透性上升，金屬進(jìn)入到中柱組織。實(shí)際上，在溶液中的鉛濃度達(dá)到10－4mol/L時(shí)，培養(yǎng)1d后就能在根中所有組織都觀察到鉛。值得注意的是，在這種濃度下內(nèi)皮層細(xì)胞也是能存活的。因此，鉛失控進(jìn)入到中柱是由內(nèi)皮層細(xì)胞膜通透性的破壞引起的，而不是由細(xì)胞死亡引起的［14］。

鎘、鉛一般在根表皮和皮層積累。在非致死濃度，極少量鎘進(jìn)入中柱組織。這些金屬在內(nèi)皮層的含量比相鄰?fù)馄蛹?xì)胞的含量要低。絕大部分鎘保留在根部，這在一定程度上減少了鎘對(duì)植物地上部的影響。如在大豆中98%以上的鎘保留在根中，而只有2%的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部［15］。

木質(zhì)部導(dǎo)管在物質(zhì)的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中起重要作用。根中柱組織排列的主要特點(diǎn)是韌皮部和木質(zhì)部空間上是分離的，與這2種組織都結(jié)合的是中柱鞘。這種排列使得韌皮部和木質(zhì)部具有功能上的協(xié)調(diào)性［16］。重金屬繞過(guò)韌皮部，直接進(jìn)入木質(zhì)部，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部器官。

2 鎘、鉛從根轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部

木質(zhì)部汁液與韌皮部汁液的化學(xué)組成很不一樣，木質(zhì)部汁液的pH范圍是5.0～6.0，具有更強(qiáng)的氧化還原勢(shì)和更低的有機(jī)化合物含量，如糖、多肽和蛋白。鎘不僅優(yōu)先與巰基基團(tuán)結(jié)合，也與N和O配體結(jié)合。因此，半胱氨酸和其他含巰基化合物（如植物鰲合肽、谷胱甘肽等）、各種有機(jī)酸（如檸檬酸）和木質(zhì)部汁液的其他氨基酸可能對(duì)鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的過(guò)程起重要作用［17］。用檸檬酸處理木質(zhì)部汁液能促進(jìn)番茄（Cyphomandrabetacea）中木質(zhì)部的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉［18］。木質(zhì)部的鎘濃度和葉中鎘積累的速度表現(xiàn)出類似飽和動(dòng)力學(xué)，這說(shuō)明溶液中的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到根中再到木質(zhì)部是由飽和運(yùn)輸機(jī)制介導(dǎo)的［19］。同一作物的不同品種對(duì)重金屬積累的差異也可能與木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸有關(guān)。有研究對(duì)2種油菜（Brassicacampestris）基因型（高鎘積累基因型溪口花籽和低鎘積累基因型涼亭花籽）木質(zhì)部汁液中主要無(wú)機(jī)、有機(jī)陰離子（氯離子，硝酸鹽，蘋果酸，硫酸鹽，磷酸鹽和檸檬酸鹽）進(jìn)行測(cè)定，并分析陰離子與鎘濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溪口花籽木質(zhì)部汁液中較低的磷酸鹽濃度可能與木質(zhì)部鎘的高效轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，木質(zhì)部汁液中的蘋果酸鹽可能參與鎘的長(zhǎng)距離運(yùn)輸［20］。籽實(shí)高鎘積累水稻品種Habataki比低鎘積累品種Sasanishiki能更迅速地將根中的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，這可能是因?yàn)槠淠举|(zhì)部有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力，并且以蒸騰作用作為驅(qū)動(dòng)力［21］。張永志等［22］通過(guò)在人工氣候箱中，調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度和濕度，形成不同的環(huán)境蒸汽壓，使植物產(chǎn)生不同的蒸騰作用，利用水培實(shí)驗(yàn)研究了在不同蒸騰作用下2個(gè)番茄（Lycopersiconesculentum）品種的幼苗對(duì)重金屬Pb、Cd的吸收積累規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高蒸騰作用下植株Cd和Pb含量比低蒸騰作用下分別增加了1.47～1.73倍和1.25～1.75倍，單株的積累量則分別增加了1.71～3.18倍和1.67～2.21倍。

鎘、鉛被運(yùn)輸?shù)降厣喜亢?，濃度高時(shí)會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生毒性作用。植物葉片有各種降低鎘、鉛毒性的方法。在鼠耳芥（Arabidopsishalleri）葉中，毛狀體鎘含量遠(yuǎn)高于其他部位。在毛狀體中，鎘的亞細(xì)胞區(qū)室化非常明顯，幾乎所有的鎘積累在毛狀體基部一個(gè)小環(huán)中。表皮其他細(xì)胞中鎘含量很少，低于葉肉細(xì)胞。葉肉細(xì)胞中的鎘濃度隨營(yíng)養(yǎng)液中鎘濃度的升高而迅速升高，說(shuō)明葉肉細(xì)胞是鎘的主要儲(chǔ)存位置，在富集鎘的過(guò)程中起重要作用［23］。鎘的超富集植物印度芥菜（Brassicajuncea）能將鎘貯存在葉片的表皮毛中達(dá)到解毒作用［24］。在一些蔬菜葉片中，鎘大部分存在于細(xì)胞壁，占總量的62%～85%，少量存在于原生質(zhì)（不含葉綠體）和葉綠體中；隨著營(yíng)養(yǎng)液中鎘濃度的增加，各組分中鎘含量明顯增加，但分配比例變化不大［25］。

3 鎘、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因

重金屬在植物體內(nèi)的積累有很大的差異，不同植物對(duì)重金屬的策略也不一致，有的采用富集策略，也有的采用排斥策略。同一物種的不同品種對(duì)重金屬的積累也有較大的差別。植物重金屬積累能力不同主要是由吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)引起的。重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因和蛋白一直是植物對(duì)重金屬積累機(jī)理研究的一大熱點(diǎn)。與鎘、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的蛋白有很多，如ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族、P－type ATPase、V－ATPase、陽(yáng)離子反向運(yùn)輸器等。

3.1 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族

腺苷三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ATP－binding cassette transporters，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）由于含有一個(gè)腺苷三磷酸（ATP）的結(jié)合盒而得名，是生物體中最大的蛋白家族之一。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是膜整合蛋白，它利用水解ATP的能量對(duì)溶質(zhì)中各種生物分子進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)［26］。它能轉(zhuǎn)運(yùn)的底物有很多，包括離子、碳水化合物、脂類、抗生素、藥物和重金屬［27］。擬南芥的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為13個(gè)亞家族，其中與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的亞家族主要是多效抗藥性亞家族（pleiotropic drug resistance，PDR）、廣譜抗藥性相關(guān)蛋白亞家族（multidrug resistance－associated protein，MRP）和線粒體 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC transporter of the mitochondria，ATM）［28］。

ATM亞族是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最小的亞族之一，由一個(gè)跨膜區(qū)域和一個(gè)ATP結(jié)合區(qū)域構(gòu)成。在擬南芥（Arabidopsisthaliana）中有3種ATM 家族成員，即AtATM1、AtATM2和AtATM3［29］。AtATM3是一種線粒體蛋白，與植物體內(nèi)鐵硫簇的生物合成和離子內(nèi)穩(wěn)態(tài)相關(guān)，AtATM3對(duì)植物的耐鎘性有貢獻(xiàn)并可能介導(dǎo)谷胱甘肽結(jié)合的Cd（II）透過(guò)線粒體膜。當(dāng)用Cd（II）或Pb（II）處理擬南芥植株時(shí)，AtATM3表達(dá)上調(diào)。AtATM3過(guò)量表達(dá)時(shí)能提高植株對(duì)鎘的抗性，而AtATM3缺失突變株與野生型對(duì)照植株相比對(duì)鎘更為敏感［27］。

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtPDR8是位于擬南芥細(xì)胞膜的鎘或鎘結(jié)合物的流出泵。在鎘或鉛處理的擬南芥中，AtPDR8表達(dá)上調(diào)。與野生型相比，AtPDR8過(guò)量表達(dá)的植株對(duì)Cd2＋或Pb2＋具有更高的抗性并且鎘含量更低。相反，與野生型相比，AtPDR8RNAi植株和T－DNA插入株系對(duì)鎘或鉛更為敏感并積累更多的鎘。GFP－AtPDR8蛋白定位于細(xì)胞膜上。分離出來(lái)的原生質(zhì)體和放射性Cd109的流出分析表明，與野生型相比，在AtPDR8過(guò)量表達(dá)的植株中，鎘的泵出量更高，而在RNAi植株中，鎘的泵出量更低［30］。AtPDR12，也是擬南芥ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員中的一員，它參與鉛的解毒作用。AtPDR12的表達(dá)水平在野生型擬南芥地上部和根中受鉛處理而升高。在含有Pb（II）的培養(yǎng)基中，AtPDR12敲除植株（atpdr12）長(zhǎng)得不如野生型好，但積累的鉛卻更多。與atpdr12植株相反，AtPDR12過(guò)量表達(dá)的擬南芥植株對(duì)鉛有更強(qiáng)的耐性，但積累的鉛比野生型要少。AtPDR12的作用是將Pb（II）和/或含鉛有毒化合物泵出細(xì)胞質(zhì)，它只對(duì)Pb起作用，而對(duì)其他的重金屬不起作用［31］。水稻（Oryza sativa）Ospdr9，編碼PDR型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在水稻根中受重金屬和氧化脅迫誘導(dǎo)。重金屬鎘（20μmol/L）可迅速并顯著地誘導(dǎo)水稻幼苗根中的ospdr9表達(dá)［32］。

有研究表明MRP對(duì)鎘的隔離起作用［33］。MRP3受鎘脅迫后表達(dá)量上調(diào)，如在低鎘（20μmol/L）和高鎘（200μmol/L）濃度下，大麥（Hordeumvulgare）中有一個(gè)與AtMRP3具有同源性的基因表達(dá)上調(diào)［34］。AtMRP3，4，6，7，14受鎘脅迫后表達(dá)上調(diào)，而且它們的轉(zhuǎn)錄水平是由重金屬離子直接調(diào)控的［35－37］。AtMRP3可以轉(zhuǎn)運(yùn)Cd（II），在8ycf1突變體中表達(dá)時(shí)能部分恢復(fù)酵母對(duì)鎘的耐性［38］。擬南芥MRP7位于液泡膜和細(xì)胞膜上，AtMRP7在煙草（Nicotianatabacum）中的過(guò)量表達(dá)增強(qiáng)了煙草對(duì)鎘的耐性并提高了葉片液泡中的鎘含量，說(shuō)明它是通過(guò)液泡儲(chǔ)存降低鎘毒性的。異源的AtMRP7的表達(dá)也能使更多的鎘滯留在煙草根中，對(duì)鎘從根到地上部的遷移產(chǎn)生影響［36］。

3.2 P－type ATPase

各種P－type ATPase離子泵具有一個(gè)共同的作用機(jī)理，即ATP水解幫助離子進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。P－type ATPase在所有生物體中都存在，可以轉(zhuǎn)移各種離子，包括H＋、Na＋/K＋、H＋/K＋、Ca2＋及重金屬，根據(jù)其轉(zhuǎn)運(yùn)底物的不同可將P－type ATPase分為5個(gè)主要的類別和10個(gè)亞家族。細(xì)菌、植物與人類中與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的P－type ATPase被劃分為 P1B亞家族，也被稱作重金屬 ATP酶（heavy metal ATPases，HMA）［39］。P1B－type ATPase能將多種重金屬離子如Cd2＋、Cu2＋和Zn2＋等進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，在金屬的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起重要作用［40］。

在細(xì)菌中，P1B－type ATPases負(fù)責(zé)將有毒的二價(jià)或單價(jià)重金屬泵出細(xì)胞。這些ATPases的N末端是由一個(gè)βαββαβ折疊和一個(gè)CXXC金屬結(jié)合基序組成金屬結(jié)合區(qū)域［41］。ZntA也屬于P1B－type ATPase，與大腸桿菌對(duì)Pb2＋、Zn2＋和Cd2＋的抗性有關(guān)。ZntA能高親和力地結(jié)合2個(gè)金屬離子，一個(gè)是在N末端區(qū)域，另一個(gè)是在跨膜區(qū)域。2個(gè)位點(diǎn)均能結(jié)合二價(jià)的或單價(jià)的金屬離子［42］。大腸桿菌基因ZntA，編碼Pb（II）/Cd（II）/Zn（II）離子泵。將大腸桿菌基因ZntA轉(zhuǎn)化到擬南芥中，發(fā)現(xiàn)ZntA定位于細(xì)胞膜上，提高了擬南芥對(duì)Pb（II）和Cd（II）的抗性，降低了擬南芥地上部鉛和鎘的含量［43］。

擬南芥AtHMA3蛋白與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，能將重金屬限制在液泡內(nèi)以提高植株對(duì)重金屬的耐性，AtHMA3集中在液泡膜上，這與其將鎘泵入液泡的功能一致［44］。AtHMA3能在保衛(wèi)細(xì)胞、排水孔、維管組織和根尖高效表達(dá)。AtHMA3的過(guò)量表達(dá)可以提高轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)鎘、鈷、鉛和鋅的耐性，并且過(guò)量表達(dá)AtHMA3的植株中鎘的積累量比野生型高2～3倍［45］。日本岡山大學(xué)的一個(gè)研究小組在水稻中發(fā)現(xiàn)了1個(gè)控制Cd向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的基因OsHMA3，對(duì)這個(gè)基因進(jìn)行過(guò)表達(dá)或抑制表達(dá)可完全改變水稻籽粒中鎘的累積量。低鎘品種的OsHMA3能將鎘限制在根液泡中而使其不能向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)［46］。擬南芥HMA4作為一種流出泵在高濃度重金屬解毒方面起重要作用。AtHMA3在酵母ycf1缺失突變體中表達(dá)時(shí)能提高酵母對(duì)鎘的抗性，但是在野生型酵母中表達(dá)時(shí)沒(méi)有提高對(duì)鎘的抗性。AtHMA4在酵母ycf1缺失突變體和野生酵母中表達(dá)時(shí)，均能提高酵母對(duì)鎘的抗性。這可能與它們?cè)诮湍钢斜磉_(dá)時(shí)蛋白的定位相關(guān)，AtHMA4位于細(xì)胞膜上，能將鎘泵出細(xì)胞；而AtHMA3位于液泡膜，只能將鎘限制在液泡內(nèi)，因此只提高了ycf1突變株對(duì)鎘的抗性［47］。HMA2和HMA4對(duì)鋅從根到地上部的轉(zhuǎn)移是必不可少的，它們也能轉(zhuǎn)運(yùn)鎘［48］。AtHMA4集中在細(xì)胞膜上并在根的維管束周圍表達(dá)。異源AtHMA4的過(guò)量表達(dá)能促進(jìn)轉(zhuǎn)基因植株根在含鋅、鎘、鈷的溶液中生長(zhǎng)。AtHMA4缺失突變體植株中，根到地上部鋅、鎘的轉(zhuǎn)移量降低，可見(jiàn)AtHMA4對(duì)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)部起重要作用［49］。也有研究認(rèn)為HMA4在鼠耳芥中的組成性高量表達(dá)是鼠耳芥富集鋅和鎘的決定因素［50］。它能使鋅從根的共質(zhì)體中釋放出來(lái)，流入導(dǎo)管，轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部。HMA4在遏藍(lán)菜（Thlaspiarvense）中也起到相似的作用［51］。TcHMA4蛋白C末端含有許多可能與重金屬結(jié)合的His和Cys重復(fù)，在重金屬到木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用［52］。另外，水稻OsHMA9也是P1B－type ATPase家族的一個(gè)成員，它的表達(dá)被高濃度的銅、鋅和鎘所誘導(dǎo)。OsHMA9：綠色熒光蛋白融合物定位于質(zhì)膜上。OsHMA9能將銅、鋅和鉛泵出細(xì)胞［53］。

3.3 其他與鎘、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因

植物中的陽(yáng)離子反向運(yùn)輸器（antiporter－cation exchanger，CAX）是一種Ca2＋/H＋交換器，可以在液泡膜上將Cd（II）與質(zhì)子進(jìn)行交換，將鎘固定在液泡內(nèi)［54］。擬南芥的陽(yáng)離子交換器CAXs編碼定位于液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對(duì)液泡積累和隔離鎘（Cd2＋）起重要作用。Koren’kov等［55］將一些擬南芥CAX基因轉(zhuǎn)化到煙草中，比較不同的CAX基因，發(fā)現(xiàn)它們都能不同程度地轉(zhuǎn)運(yùn)Cd2＋、Ca2＋、Zn2＋和 Mn2＋，其中CAX4和CAX2能高選擇性地將Cd2＋轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡。CAX4能提高根液泡膜Cd2＋/H＋交換量和初始交換速率。當(dāng)轉(zhuǎn)基因植株種植在含有0.02 μmol/L Cd的介質(zhì)中時(shí)，CAX4和CAX2表達(dá)的煙草植株根中鎘積累量增加［56］。

AtMHX是擬南芥液泡轉(zhuǎn)運(yùn)子，由單一基因編碼，它能交換質(zhì)子Mg2＋、Zn2＋和Fe2＋。AtMHX在煙草中的過(guò)量表達(dá)使煙草對(duì) Mg2＋、Zn2＋和Cd2＋敏感，誘導(dǎo)V－ATPase表達(dá)，并使植物尺寸減小。AtMHX不只是將Mg2＋和Zn2＋帶入植物體內(nèi)，也將Cd2＋帶入植物體內(nèi)［57］。AtIRT1（定位在根細(xì)胞的細(xì)胞膜上）是擬南芥根中主要的離子吸收系統(tǒng)，它也能轉(zhuǎn)運(yùn)大量的鎘［58］。ZIP家族也是金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的重要家族，它也定位在細(xì)胞膜上，與根細(xì)胞從土壤中吸收鎘和鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)［59］。

也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)一些基因能增加植物對(duì)Pb的積累量。煙草鈣調(diào)素結(jié)合蛋白基因（NtCBP4）的過(guò)量表達(dá)能使植株對(duì)Pb2＋具有超敏感性，但體內(nèi)Pb2＋的積累較多。NtCBP4與重金屬吸收相關(guān)可能是通過(guò)質(zhì)膜起作用的，結(jié)構(gòu)分析表明它是一種非選擇性陽(yáng)離子通道［60］。

4 研究展望

近年來(lái)，植物中與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和積累相關(guān)的機(jī)理研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和重視，然而，重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和積累是極其復(fù)雜的生理過(guò)程。重金屬在植物中的轉(zhuǎn)運(yùn)和分布對(duì)植物各器官積累重金屬的能力是非常重要的。許多植物通過(guò)共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑限制重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)部，進(jìn)而減少其向地上部的運(yùn)輸。當(dāng)植物根系暴露在濃度較高的重金屬環(huán)境中時(shí)，植物可以通過(guò)一些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如MRP7、HMA3、CAXs等將重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡，并且產(chǎn)生更多的植物絡(luò)合素將一些重金屬絡(luò)合在液泡中，以減少對(duì)植物的毒害作用。這樣可以減少共質(zhì)體中的重金屬含量，同時(shí)也減少了進(jìn)入木質(zhì)部的重金屬的量。另外，植物還可以通過(guò)加速內(nèi)皮層的發(fā)育來(lái)減少質(zhì)外體途徑對(duì)重金屬的運(yùn)輸。雖然有關(guān)重金屬在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制研究較多，但是，這些轉(zhuǎn)運(yùn)是否會(huì)受到其他重金屬的干擾還了解甚少。當(dāng)前大多重金屬污染是多種重金屬的復(fù)合污染，因此，研究多種重金屬存在的條件下重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累過(guò)程是今后研究的一種發(fā)展趨勢(shì)。

重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程受到多基因的控制。雖然這方面的研究已取得一些進(jìn)展，但迄今仍有許多地方仍不明確。與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因多積累在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族和P－type ATPase，而其他方面的基因報(bào)道較少。因此，以后的研究也需要探尋更多的與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因。另外，雖然現(xiàn)在研究了不少參與重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控過(guò)程的基因，但是這些基因是怎樣協(xié)同工作，又是通過(guò)哪些機(jī)制來(lái)調(diào)控，還知之甚少。這些將成為后一階段的研究重點(diǎn)，也是重金屬在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究的一大發(fā)展趨勢(shì)。

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