外源物質(zhì)在苧麻修復(fù)鎘污染土壤中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孫士濤，郭兵，余永廷，劉淳劼，朱愛國

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙410205）

鎘（Cd）是一種具有極強(qiáng)毒性的重金屬元素，作為植物生長發(fā)育過程中的非必需營養(yǎng)元素，極易被植物吸收、積累，并可能經(jīng)食物鏈轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，對人們的身體健康造成重大威脅［1］。據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國耕地土壤質(zhì)量不容樂觀，其中鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7%，已經(jīng)成為我國耕地土壤主要污染物之一［2］，鎘污染土壤修復(fù)工作迫在眉睫。苧麻，又稱“中國草”，因其易種植、抗逆性強(qiáng)、生物量大的特點(diǎn)，被廣泛用于修復(fù)鎘污染土壤研究。研究［3］發(fā)現(xiàn)，采用濃度低于65 mg／kg鎘處理土壤，植株富集系數(shù)均大于1，最高達(dá)到4.55，說明苧麻具有一定修復(fù)鎘污染土壤的潛力。同時(shí)有研究［4］發(fā)現(xiàn)，土壤經(jīng)100 mg／kg鎘脅迫后，顯著影響苧麻葉片葉綠素含量組成，降低了光合作用，地上部分生物量下降50%。然而，植物對重金屬富集效果和富集量與生物量密切相關(guān)，植物生物量的大小對修復(fù)效果至關(guān)重要，生物量大則對高濃度重金屬有較高耐性，故常被作為篩選超富集植物的重要指標(biāo)［5－7］。因此，提高苧麻耐鎘性，緩解鎘脅迫對苧麻造成的生長抑制，有助于提高苧麻修復(fù)鎘污染能力。有報(bào)道［8］指出，外源物質(zhì)（如NO）處理苧麻，可促進(jìn)苧麻對鎘的吸收，提高苧麻向上轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力，同時(shí)緩解鎘對苧麻造成的生長抑制，彌補(bǔ)了苧麻對鎘污染修復(fù)能力的不足。文章歸納了國內(nèi)外有關(guān)外源物質(zhì)在苧麻耐鎘方面的研究進(jìn)展，并分析總結(jié)了誘導(dǎo)鎘耐性提高的相關(guān)生理生化機(jī)理，以期為外源物質(zhì)提高苧麻修復(fù)重金屬污染土壤能力提供參考。

1 苧麻鎘耐性

重金屬鎘破壞了植株體內(nèi)水分動(dòng)態(tài)平衡、葉綠體結(jié)構(gòu)以及葉綠素合成，抑制了光合作用，影響植株的正常生長。鎘脅迫對植株造成的氧化脅迫傷害，也會(huì)嚴(yán)重影響植株的正常生理代謝過程，進(jìn)而引起其他生理毒害。研究［9－11］表明，多個(gè)苧麻品種對重金屬鎘均有不同程度的耐受及富集能力，比如中苧1號。在各大污染礦區(qū)的野外調(diào)研觀測中也都發(fā)現(xiàn)苧麻的存在［12］。這些均證實(shí)，苧麻對重金屬鎘有較高的抗性。

苧麻對重金屬鎘的耐性，在生理機(jī)制上主要?dú)w結(jié)于植株對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配以及有效減輕鎘脅迫引起的氧化脅迫傷害等方面。鎘脅迫下，相較于葉片等地上部器官，苧麻根部鎘積累量最多，降低了地上部鎘含量累積，使葉片減輕因鎘脅迫帶來的傷害，維持植株正常生長，表現(xiàn)出Cd耐性植物的主要解毒特征［13］。鎘亞細(xì)胞區(qū)域化分布主要集中于細(xì)胞壁和液泡，該方式緩解了鎘對細(xì)胞內(nèi)葉綠體和線粒體等細(xì)胞器的傷害［14－15］。在分子機(jī)制上，鎘脅迫下苧麻抗氧化系統(tǒng)、螯合態(tài)合成酶等相關(guān)基因的響應(yīng)表達(dá)也提高了苧麻的耐鎘性［16］。

2 外源物質(zhì)在苧麻修復(fù)鎘污染土壤中的應(yīng)用

鎘脅迫下苧麻抗氧化系統(tǒng)、鎘積累及分配機(jī)制能保護(hù)植株免受傷害，但是苧麻的這種自我保護(hù)機(jī)制也有一定的局限性。有研究［17］發(fā)現(xiàn)，苧麻的保護(hù)機(jī)制在低鎘濃度下（Cd濃度小于3 mg／L）起到重要作用，但是當(dāng)鎘濃度超過7 mg／L時(shí)，植株難以維持自身的穩(wěn)態(tài)機(jī)制，從而表現(xiàn)出脅迫傷害。王欣等［18］采用盆栽試驗(yàn)方法，研究苧麻對鎘毒害生理耐性機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)生長期苧麻對Cd的耐受閾值為80 mg／kg左右。外源物質(zhì)因能顯著提高苧麻鎘耐性，增強(qiáng)植物修復(fù)能力，已成為苧麻耐鎘、重金屬鎘污染修復(fù)研究中的熱點(diǎn)。

2.1 螯合劑

螯合劑因其能提高植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，已被廣泛應(yīng)用于各種植物修復(fù)研究中。螯合劑種類主要有天然低分子量有機(jī)酸和多羧基氨基酸兩種，如檸檬酸、草酸、蘋果酸等小分子量有機(jī)酸，以及EDTA（乙二胺四乙酸）、EGTA（乙二醇雙四乙酸）、NTA（氮三乙酸）等。樊揚(yáng)帆［19］通過外源NTA與檸檬酸處理提高了鎘脅迫下苧麻體內(nèi)CAT、POD、SOD活性和MDA含量，表明NTA與檸檬酸處理能夠緩解鎘對苧麻的氧化脅迫，增強(qiáng)苧麻耐鎘性。李華英［20］研究證明，與對照相比，外源檸檬酸和草酸通過與重金屬鎘形成螯合態(tài)從而增加植物體內(nèi)鎘的移動(dòng)性，同時(shí)提高了植株體內(nèi)葉綠素和類胡蘿卜素含量，根系活力上升，丙二醛含量較低，也對細(xì)胞膜脂過氧化程度有所減輕，緩解了鎘對植株產(chǎn)生進(jìn)一步毒害癥狀。劉金等［21］采用低濃度（1.5～3.0 mmol／kg）EDDS與高濃度EDTA處理植株，強(qiáng)化了苧麻對鎘污染土壤的修復(fù)效率，但是這種處理造成植株生物量減少，對植株的生長產(chǎn)生了不利影響，說明螯合劑的使用能顯著增強(qiáng)苧麻修復(fù)鎘污染土壤的效率，但是螯合劑使用濃度和種類差異對植株生長發(fā)育可能會(huì)產(chǎn)生不同影響。

2.2 微量元素

在植物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)中，葉片噴施微量元素常作為一種農(nóng)藝調(diào)控措施，進(jìn)而提高植株抗逆能力和修復(fù)重金屬污染土壤的效率。硒、硅、鈣、鐵、鋅等作為植物所必需的微量元素，具有多種重要的生理功能，拮抗環(huán)境脅迫，提高植株脅迫抗性也是其中之一［22］。研究［23－24］發(fā)現(xiàn)，外源噴施低濃度硒、硅和鈣，能增加苧麻生長量和葉綠素含量，促進(jìn)植株生長，減輕鎘對苧麻造成的氧化脅迫損傷，進(jìn)而緩解鎘對苧麻產(chǎn)生的其他生理毒害，但這種解毒效應(yīng)，與微量元素使用濃度相關(guān)，常表現(xiàn)出“濃度劑量效應(yīng)”，與施用低濃度硒（0.5、1.0、1.5μmol／L）相比，高濃度硒（2、5、10μmol／L）噴施處理，會(huì)對植株耐鎘、修復(fù)鎘污染途徑產(chǎn)生不利影響。這種效應(yīng)在其他微量元素上也有體現(xiàn)。不同濃度的鋅鐵處理對植株的生長發(fā)育會(huì)產(chǎn)生不同的影響，適量鋅鐵處理能夠促進(jìn)苧麻的生長，減少苧麻對重金屬鎘的吸收積累，從而緩解鎘對苧麻造成的傷害，鋅鐵元素缺失則會(huì)加重鎘對苧麻產(chǎn)生的毒害［25］。

2.3 多胺類

多胺作為一種能調(diào)控植物生長發(fā)育、參與多種代謝過程的小分子量有機(jī)酸類，在植株響應(yīng)環(huán)境生物與非生物脅迫中也發(fā)揮重要的功能。近年來，逆境脅迫下植物體內(nèi)信號調(diào)控相關(guān)研究備受關(guān)注。研究［26－27］證實(shí)，多胺類能通過參與脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，提高植株脅迫抗性。多胺參與調(diào)控H2O2信號、NO信號、Ca2＋、ABA等信號途徑響應(yīng)逆境脅迫［28－29］。除了與脅迫信號物質(zhì)互作、調(diào)控代謝途徑外，多胺類物質(zhì)在植株耐鎘脅迫生理響應(yīng)中也起到關(guān)鍵作用。Chen等［30］研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施亞精胺提高了鎘脅迫下油菜植株SOD、CAT、POD抗氧化酶活性，幼苗體內(nèi)可溶性蛋白和谷胱甘肽含量升高，增強(qiáng)了幼苗耐鎘能力。這一結(jié)果在玉米幼苗耐鎘研究［31］中得到證實(shí)：精胺，亞精胺和腐胺等多胺類物質(zhì)能通過提高鎘脅迫下玉米幼苗體內(nèi)葉綠素含量，維持植株光合作用，激活抗氧化防御系統(tǒng)，促進(jìn)幼苗在脅迫下生長，增強(qiáng)鎘耐性。在苧麻耐鎘有關(guān)研究中，也得到類似結(jié)果［32］。

2.4 其他植物生長類物質(zhì)

隨著植物修復(fù)重金屬污染技術(shù)研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)植株適應(yīng)逆境脅迫、修復(fù)污染土壤的過程涉及到植株的整個(gè)生理響應(yīng)。越來越多的物質(zhì)經(jīng)研究證實(shí)能夠增強(qiáng)植株脅迫抗性，提高修復(fù)效率，如水楊酸（SA）、生長素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CK）、激動(dòng)素（KN）、一氧化氮（NO）等植物激素和信號物質(zhì)，茶皂素等天然表面活性劑等在苧麻耐鎘、修復(fù)鎘污染方面都起到重要作用［33－35］，為提高植物修復(fù)重金屬污染土壤效率提供了新的有效措施。

3 鎘污染脅迫下外源物質(zhì)對苧麻引起的生理生化響應(yīng)

3.1 光合作用

重金屬鎘污染嚴(yán)重抑制植株的正常生長，鎘在細(xì)胞內(nèi)的過量積累也會(huì)損害一些重要細(xì)胞器，影響生理代謝過程，對植株產(chǎn)生毒害。如細(xì)胞內(nèi)重金屬鎘過量積累會(huì)嚴(yán)重破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，抑制葉綠素生物合成［36－37］，阻礙光合作用正常運(yùn)行［38］。光合系統(tǒng)對植株生長至關(guān)重要，葉綠素作為植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量變化與植株生長密切相關(guān)。低濃度的螯合劑處理促進(jìn)了鎘脅迫下苧麻幼苗葉片中光合色素的合成與積累，提高了光合效率［39］。此外，外源物質(zhì)預(yù)噴施處理對于鎘脅迫下植物光合系統(tǒng)的保護(hù)作用，使得植株在重金屬鎘污染的土壤中依然能維持自身的正常生理代謝，增加了葉綠素含量和類胡蘿卜素含量，改善了光合作用，促進(jìn)植株正常生長，提高了苧麻植株耐鎘性，進(jìn)而為苧麻修復(fù)重金屬鎘污染土壤提供了條件［40－41］。

3.2 細(xì)胞質(zhì)膜及抗氧化防御系統(tǒng)

外源礦物質(zhì)元素處理提高了鎘脅迫下苧麻植株體內(nèi)可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，降低了丙二醛含量，緩解了鎘離子對植株細(xì)胞膜系統(tǒng)的損害，進(jìn)而減緩鎘脅迫對植株產(chǎn)生的進(jìn)一步毒害。此外，外源礦物質(zhì)處理與重金屬產(chǎn)生的拮抗作用，影響植物對重金屬的吸收，對植物膜系統(tǒng)的保護(hù)起到關(guān)鍵作用［42］。

為了適應(yīng)外界的各種生物與非生物脅迫，植物形成了自身的防御系統(tǒng)，來抵抗脅迫引起的傷害。抗氧化系統(tǒng)作為植株最先響應(yīng)的防御系統(tǒng)，在植株適應(yīng)各種環(huán)境變化方面起到重要作用。上述研究表明，外源物質(zhì)在苧麻耐鎘、修復(fù)重金屬鎘污染土壤過程中，能顯著提高植株體內(nèi)SOD、POD等抗氧化還原酶的活性，及時(shí)有效清除體內(nèi)多余活性氧如H2O2等物質(zhì)，避免其對植株細(xì)胞膜、細(xì)胞器的進(jìn)一步破壞，維持植株正常的代謝過程［43］。

3.3 吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

鎘具有高移動(dòng)性的特點(diǎn)，使得苧麻在鎘污染環(huán)境中，極易吸收積累鎘。而鎘離子的毒害作用，會(huì)破壞植株重要的細(xì)胞組織，影響植株的正常生長。因此，調(diào)控鎘脅迫下苧麻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程，對于緩解鎘產(chǎn)生的生長抑制至關(guān)重要。研究［44］證明，外源物質(zhì)噴施處理鎘污染下的苧麻，能夠通過與植株體內(nèi)的鎘螯合成有機(jī)化合物，促進(jìn)鎘離子在植株體內(nèi)的吸收，提高苧麻對鎘離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力。苧麻耐鎘能力強(qiáng)與鎘離子主要集中在細(xì)胞中液泡區(qū)域，從而避免了對重要細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能的損害有關(guān)。而適量濃度外源物質(zhì)如EDTA，促進(jìn)了苧麻葉片鎘離子積累，同時(shí)降低了細(xì)胞壁鎘含量［45］，部分螯合態(tài)鎘利用ABC轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入液泡儲(chǔ)存［46］，為提高耐鎘性及鎘污染修復(fù)效率提供了條件。

3.4 基因表達(dá)

隨著基因組學(xué)的發(fā)展，基因的挖掘和功能鑒定在加快作物傳統(tǒng)育種速度的同時(shí)，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)增強(qiáng)作物抗逆性的研究也備受關(guān)注。激活鎘脅迫下相關(guān)抗性基因的表達(dá)，有助于從基因水平解決植株耐鎘、修復(fù)鎘污染的問題。研究［47］發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下苧麻差異表達(dá)基因主要富集在結(jié)合功能和催化活性功能上，谷胱甘肽代謝途徑基因差異表達(dá)，為增強(qiáng)苧麻耐鎘性奠定了分子基礎(chǔ)。外源物質(zhì)尤其是植物激素如水楊酸（SA）、脫落酸（ABA）等，能誘導(dǎo)苧麻谷胱甘肽還原酶相關(guān)基因上調(diào)表達(dá)［48］，為提高苧麻耐鎘及鎘污染修復(fù)效率指明了方向。

4 總結(jié)與展望

植物修復(fù)作為一種低成本的修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)而備受關(guān)注。苧麻生物量大、生長快、耐鎘，在修復(fù)重金屬污染土壤中前景廣闊。然而，當(dāng)前苧麻修復(fù)污染土壤技術(shù)和基礎(chǔ)研究相對薄弱，致使相關(guān)研究未取得實(shí)質(zhì)性的突破。近年來，研究證實(shí)外源物質(zhì)能通過保護(hù)苧麻光合作用及質(zhì)膜系統(tǒng)，提高抗氧化還原能力，影響鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，誘導(dǎo)耐鎘基因表達(dá)，增強(qiáng)苧麻耐鎘性，表現(xiàn)出了一定的提高苧麻修復(fù)效率的潛力。但是外源物質(zhì)在苧麻耐鎘上的應(yīng)用尚局限于生理研究，分子機(jī)制上的研究有待進(jìn)一步深入。故針對目前研究現(xiàn)狀提出以下幾點(diǎn)建議：外源物質(zhì)在苧麻修復(fù)鎘污染土壤的“劑量效應(yīng)”有待于進(jìn)一步挖掘；外源物質(zhì)對苧麻耐鎘閥值提高程度仍缺乏定量研究；篩選高效提高苧麻修復(fù)鎘污染土壤效率的外源物質(zhì)以及有效組合；挖掘鎘脅迫相關(guān)基因，鑒定功能基因，研究外源物質(zhì)與鎘脅迫相關(guān)基因互作，調(diào)控網(wǎng)路；進(jìn)行重金屬污染治理技術(shù)創(chuàng)新，外源物質(zhì)應(yīng)與其他農(nóng)藝操作、化學(xué)措施相結(jié)合，從而大幅度提高苧麻重金屬修復(fù)效率。