龍葵(Solanum nigrum L.)超富集鎘的生理和分子機(jī)制研究進(jìn)展

楊曉遠(yuǎn)，王海娟，王宏鑌,*

1. 昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650500 2. 云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500

隨著現(xiàn)代工礦業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染已經(jīng)成為一個全球性的環(huán)境問題。在造成土壤污染的眾多重金屬中，鎘(Cd)是較為常見的一種元素。與其他重金屬相比，Cd的生物毒性相對較強(qiáng)，更容易被植物吸收，具有很強(qiáng)的從土壤向植物遷移的能力。已有大量研究表明，若土壤中Cd含量過高，不但會使植物生長緩慢、生物量降低，同時也會使植物細(xì)胞的膜透性、遺傳物質(zhì)、酶活性、呼吸代謝和光合作用等發(fā)生改變[1-2]。因此，Cd污染土壤的修復(fù)一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

生物修復(fù)尤其植物修復(fù)具有原位操作、應(yīng)用方便和成本較低等特點(diǎn)，是一種較為理想的土壤Cd污染治理方法[3]。龍葵(SolanumnigrumL.)是我國2005年自主發(fā)現(xiàn)的Cd超富集植物[4]，屬一年生草本，全國各地幾乎均有分布，加之其繁殖力強(qiáng)、生物量大和生長快速而備受關(guān)注。自發(fā)現(xiàn)后的15年以來，龍葵對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集、耐性以及Cd污染土壤修復(fù)等方面已取得很多研究成果。有研究報(bào)道，水培條件下，龍葵地上部Cd含量高達(dá)262 mg·kg-1時仍未出現(xiàn)中毒癥狀[5]；Wei等[4]發(fā)現(xiàn)，在土培條件下，龍葵體內(nèi)最大Cd含量可達(dá)125 mg·kg-1。作為Cd超富集植物，龍葵根系對Cd能快速吸收，并且能將其從根系有效轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部，進(jìn)入體內(nèi)的Cd還可通過區(qū)隔化作用將Cd轉(zhuǎn)運(yùn)并儲存在某些特定部位，或者通過抗氧化酶、調(diào)節(jié)相關(guān)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或形成對Cd高度親和的高分子量絡(luò)合物等實(shí)現(xiàn)對Cd的富集和解毒。目前關(guān)于龍葵超量富集Cd的生理和分子機(jī)制方面的研究雖然不少，但缺乏較為系統(tǒng)的總結(jié)。本文從龍葵根系對Cd的快速吸收、Cd從根到地上部的有效轉(zhuǎn)運(yùn)以及較強(qiáng)的體內(nèi)解毒能力3個方面，系統(tǒng)綜述了龍葵超富集Cd的生理和分子機(jī)制，并對該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢作出展望。

1 龍葵根系對Cd的快速吸收(Rapid uptake of Cd by roots of Solanum nigrum)

1.1 龍葵根系對Cd的響應(yīng)

根系是植物從外界吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，也是超富集植物吸收土壤中重金屬的主要部位。龍葵的根系狀態(tài)例如根長、根表面積、根體積、側(cè)根數(shù)和根系活力能夠反映龍葵吸收土壤中Cd的能力。唐秀梅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cd(10 mg·L-1)對龍葵根系的生長起促進(jìn)作用，但當(dāng)Cd濃度升至100 mg·L-1時，龍葵根系的生長則會受到抑制，說明龍葵對Cd污染的適應(yīng)是有一定限度的，當(dāng)Cd濃度超過一定閾值后，將對龍葵根系產(chǎn)生毒害。王濤等[7]也研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cd(<25 μmol·L-1)對龍葵幼苗的最長根長和根系形態(tài)不會產(chǎn)生顯著影響，甚至表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用。Patra等[8]把該現(xiàn)象解釋為低濃度重金屬會對植物的某些器官產(chǎn)生積極的“刺激作用”，因?yàn)榈蜐舛菴d能夠促進(jìn)龍葵植株的細(xì)胞分裂、刺激RNA以及提高蛋白質(zhì)合成酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)植株生長。羅瓊等[9]對比了龍葵根部蛋白質(zhì)組對Cd脅迫的響應(yīng)，結(jié)果表明，在Cd毒害下，龍葵根部的1個防御響應(yīng)相關(guān)蛋白S-腺苷甲硫氨酸合成酶2、2個能量代謝相關(guān)蛋白硫酸腺苷酰轉(zhuǎn)移酶和2-磷酸甘油酸脫水酶等表達(dá)上調(diào)。這說明，Cd脅迫下龍葵根系內(nèi)異化作用提高，物質(zhì)和能量代謝加劇，能量增多以減緩Cd對根細(xì)胞的脅迫。因此，當(dāng)龍葵受到低濃度Cd脅迫時，其根部的生長加快，從而能夠快速地吸收土壤中的Cd。

1.2 龍葵根系分泌物促進(jìn)其對Cd的吸收

超富集植物可以改變其根際環(huán)境，提高土壤中重金屬的溶解性。根際環(huán)境中的重金屬含量、pH值、含水量、有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分元素等是影響根際土壤中重金屬的生物有效態(tài)和根系對重金屬吸收的主要因素。植物根系及根際微生物的作用能通過多種途徑改變根際環(huán)境，活化土壤固持的重金屬[10]。Cd在土壤中有水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)和硅酸鹽態(tài)等多種形態(tài)，其中，水溶態(tài)和可交換態(tài)為植物有效態(tài)，容易被植物吸收和利用[11]。龍葵根系分泌的特殊有機(jī)物能螯合重金屬或酸化根際，從而促進(jìn)土壤重金屬的溶解和根系的吸收。Krishnamurti等[12]報(bào)道，金屬-有機(jī)復(fù)合物結(jié)合的Cd占土壤中總Cd的40%，與植物有效態(tài)Cd含量成顯著正相關(guān)。而且許多低分子量有機(jī)酸(LMWOA)能影響土壤固相結(jié)合的Cd的釋放，形成Cd-LMWOA復(fù)合物，增加土壤Cd的溶解性。另外，龍葵根系分泌物還能夠誘導(dǎo)根際土壤的pH值變化，其根系釋放的有機(jī)酸可以酸化根際環(huán)境，促進(jìn)土壤中的重金屬溶解。并且土壤中重金屬的生物可利用度受根際pH的影響很大，而根際pH可對金屬的遷移起主導(dǎo)作用[13]。已有研究表明，龍葵根部分泌的有機(jī)酸提供了有機(jī)配體，進(jìn)而改變了重金屬的溶解度和土壤的pH值。Bao等[14]的研究表明，與非超富集植物番茄(SolanumlycopersicumL.)相比，龍葵根系分泌的LMWOA含量顯著高于番茄，并且龍葵根際土壤溶液的pH值顯著低于番茄，這可能是導(dǎo)致龍葵根系吸收Cd的能力強(qiáng)于番茄的原因。孫月美[15]研究發(fā)現(xiàn)，在植株培育時間為45 d、土壤Cd含量為15 mg·kg-1時，龍葵根部Cd含量已>50 mg·kg-1，而非超富集植物油葵(HelianthusannuusL.)根部Cd含量<20 mg·kg-1，說明龍葵根部快速吸收土壤Cd的能力強(qiáng)于油葵。植物根系分泌物對Cd活化作用的大小和植物對Cd吸收能力的高低，主要?dú)w因于根際與非根際土壤的有效態(tài)Cd含量的差異。以15 mg·kg-1Cd處理相同時間后，龍葵根際土壤Cd有效態(tài)含量比非根際土壤顯著降低95%，而油葵只降低了84%。這說明，龍葵根系分泌物活化了土壤中的Cd，在生長過程中隨著生物量不斷增加，龍葵根系對Cd的吸收也不斷增加，從而導(dǎo)致與油葵相比，龍葵根際土壤Cd有效態(tài)含量較非根際土壤降低更為顯著。

在分子層面，Cd脅迫后龍葵根部編碼2個金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因(鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因HMA和MGT以及鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因IRT1)表達(dá)量持續(xù)增高。HMA基因不但參與重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)，還參與金屬的長距離運(yùn)輸和解毒[16]。Xu等[17]的研究結(jié)果表明，龍葵與非超富集植物茄子(SolanummelongenaL.)同為茄屬植物，在面對由Cd誘導(dǎo)的鐵缺失時，它們的轉(zhuǎn)運(yùn)基因卻有著不同的響應(yīng)機(jī)制，這可能是導(dǎo)致2種植物對Cd的吸收和再分配不同的原因。對2種鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IRT1和IRT2的定量逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)的結(jié)果進(jìn)行分析可知，在鐵缺失條件下，龍葵根部的mRNA豐度高于茄子。鐵的明顯缺失誘導(dǎo)了龍葵根部基因IRT1的表達(dá)，但卻抑制了該基因在茄子根部的表達(dá)[17]。IRT1基因位于細(xì)胞質(zhì)膜中，其高表達(dá)增加了龍葵根部對鎘/鐵的吸收。Cd脅迫下，轉(zhuǎn)IRT1基因的龍葵毛狀根中植物細(xì)胞的受損程度比野生型龍葵毛狀根要低，具有耐受更高濃度Cd的能力，在較高濃度的Cd脅迫下可以提高通過抗氧化酶系統(tǒng)的活性，及時將植物組織內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)清除以減輕氧化損傷。這表明，在龍葵毛狀根內(nèi)轉(zhuǎn)入IRT1基因一定程度上提高了龍葵對Cd脅迫的應(yīng)激和耐受能力，提高了龍葵毛狀根對Cd的富集[18]。

2 Cd從根到地上部的有效轉(zhuǎn)運(yùn)(Efficient translocation of Cd from root to shoot)

有研究認(rèn)為，土壤中的Cd進(jìn)入龍葵體內(nèi)的各個組織器官依靠2種運(yùn)輸途徑：共質(zhì)體(symplast pathway)和質(zhì)外體(apoplast pathway)運(yùn)輸，一方面Cd2+通過共質(zhì)體途徑由龍葵根毛細(xì)胞膜上的通道進(jìn)入，再利用細(xì)胞之間的胞間連絲，經(jīng)由皮層、內(nèi)皮層及維管束鞘進(jìn)入根內(nèi)導(dǎo)管細(xì)胞；另一方面土壤中的Cd2+通過質(zhì)外體途徑由龍葵根吸收之后不進(jìn)入細(xì)胞，而是沿著細(xì)胞壁的空隙從表皮、皮層到內(nèi)皮層，進(jìn)入木質(zhì)部和韌皮部[19]。由于木質(zhì)部細(xì)胞壁上的陽離子具有很強(qiáng)的交換能力，因此螯合態(tài)的Cd離子通常比游離態(tài)更易于轉(zhuǎn)運(yùn)。在木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)腃d離子可以跨膜卸載進(jìn)入韌皮部，或者卸載進(jìn)入葉片中進(jìn)行運(yùn)輸、積累和分布。Cd通過以上2種運(yùn)輸途徑抵達(dá)維管束并向枝葉轉(zhuǎn)運(yùn)，隨著龍葵的生長和新陳代謝，逐漸被稀釋，進(jìn)而減少Cd對龍葵的毒害。

仇碩等[20]認(rèn)為，龍葵地上部能夠富集大量的Cd，原因是龍葵植株根部的細(xì)胞膜上存在著某種特殊的Cd專一通道或者載體蛋白。Cd進(jìn)入龍葵根細(xì)胞后，可隨蒸騰作用到達(dá)植株的地上部，通過與細(xì)胞壁結(jié)合、與有機(jī)化合物形成螯合物以及區(qū)域化分布等方式達(dá)到解毒的目的，從而促使地下部的Cd不斷向地上部運(yùn)輸，形成地上部Cd的超量富集。李志賢等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Cd含量為10 mg·kg-1時，龍葵地上部蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度最強(qiáng)，顯著高于其他處理組。蒸騰作用是決定元素由根系通過木質(zhì)部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的主要因子之一，因此，當(dāng)Cd脅迫在一定濃度范圍內(nèi)，可以強(qiáng)化龍葵的蒸騰作用，使Cd由根系通過木質(zhì)部快速向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。

在分子機(jī)制方面，一般認(rèn)為，P1B型ATP酶(P1B-ATPase)能夠在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)多種必需金屬以保證植物能夠從土壤中吸取充足的營養(yǎng)，并且這些金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體大多也可以參與Cd等有毒重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，被稱之為“重金屬ATPase (heavy metal ATPase, HMA)”[22]。孫正國[23]研究發(fā)現(xiàn)，龍葵葉片能上調(diào)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)基因(P type-ATPase)的表達(dá)，且土壤中Cd含量越高，上調(diào)越顯著，Cd吸收也增加。另一方面，Cd從龍葵根部到地上部的大量積累和運(yùn)輸需要通過增加谷胱甘肽和植物螯合素(phytochelatins, PCs)的合成來完成，植物螯合素是由谷胱甘肽酶促合成的，而谷氨酰胺/谷氨酸代謝介導(dǎo)谷胱甘肽的生物合成。高谷胱甘肽水平促進(jìn)植物螯合素的合成以及Cd-螯合素復(fù)合物在液泡中的形成，從而促進(jìn)Cd在植物根與地上部之間的積累和運(yùn)輸[24]。Xu等[25]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下龍葵幼苗中編碼谷氨酰胺合成酶基因的表達(dá)升高，表明谷氨酰胺的積累是龍葵植物體內(nèi)能夠富集Cd的重要機(jī)制。Xu等[25]還發(fā)現(xiàn)，龍葵在Cd脅迫下，編碼鈣調(diào)蛋白(CaM)的基因轉(zhuǎn)錄水平升高，說明Cd可能激活了CaM的信號通路。一般認(rèn)為，逆境脅迫可激活CaM以及CaM所依賴的蛋白激酶，會導(dǎo)致代謝的關(guān)鍵酶或轉(zhuǎn)錄因子活化，最終引起生理生化反應(yīng)，繼而調(diào)控植物的生長和抗逆等[26]。但是，具體的信號通路激活機(jī)制以及Cd與鈣調(diào)蛋白的各信號系統(tǒng)之間的相互關(guān)系尚未見報(bào)道，今后還需加強(qiáng)該方面的研究，弄清各信號系統(tǒng)之間如何構(gòu)成一個精細(xì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控Cd脅迫下的各種生理生化活動。

3 較強(qiáng)的體內(nèi)解毒能力(Strong ability of internal detoxification)

Cd進(jìn)入龍葵細(xì)胞后，將對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，但與此同時，植物細(xì)胞將動用各種解毒機(jī)制緩解Cd的傷害，如將Cd區(qū)隔化在液泡或細(xì)胞壁中、提高抗氧化酶活性、生成有機(jī)酸、提高細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、維持光合和呼吸作用以及調(diào)節(jié)必需營養(yǎng)元素的代謝等。

3.1 龍葵對Cd的區(qū)隔化作用

龍葵體內(nèi)含有氨基酸、有機(jī)酸和植物螯合素等多種金屬配位體，可與Cd離子發(fā)生螯合反應(yīng)，將有較強(qiáng)毒性的Cd離子轉(zhuǎn)化為低毒或無毒的螯合態(tài)形式[27]，減輕Cd離子對細(xì)胞的毒害，同時也降低了細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)Cd的含量，進(jìn)而提高了植物對Cd的耐受性。在細(xì)胞質(zhì)中，富含半胱氨酸的植物螯合素的巰基與Cd螯合，不僅可以降低游離態(tài)Cd離子的毒性，并且能在HMT1、HMT2膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、H+/Cd2+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助下，以PCs-重金屬螯合物的形式被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)液泡[28-29]。液泡中含有蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等物質(zhì)，它們可以與貯存在液泡中的Cd離子結(jié)合，使其在液泡中區(qū)隔化，減少對龍葵細(xì)胞代謝活動的毒害，區(qū)隔化作用與龍葵富集Cd的這一特性密切相關(guān)[30]。

除液泡外，植物體內(nèi)重金屬還分布在質(zhì)外體中。重金屬離子進(jìn)入植物細(xì)胞的第一道屏障是細(xì)胞壁，通過重金屬在植物細(xì)胞壁內(nèi)的沉淀作用可以阻止重金屬進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)，當(dāng)重金屬進(jìn)入原生質(zhì)后，可被細(xì)胞質(zhì)中的蛋白螯合和液泡區(qū)隔化貯存，減少了重金屬對細(xì)胞器的傷害。Cd在進(jìn)入龍葵體內(nèi)時，首先經(jīng)細(xì)胞壁進(jìn)入，然而細(xì)胞壁中含有蛋白質(zhì)、多糖、羧基和羥基等基團(tuán)，可以與Cd離子結(jié)合，形成沉淀或者螯合物。王珊珊[31]研究發(fā)現(xiàn)，龍葵內(nèi)富集的Cd在細(xì)胞壁和液泡的分配比例之和達(dá)到70.8%～84.6%，且隨著土壤中Cd含量的增大而增加。并且龍葵細(xì)胞壁對Cd的固定作用高于非超富集植物茄子，所以細(xì)胞壁固定和液泡區(qū)室化可能是龍葵積累Cd的主要方式，也可能是龍葵在Cd脅迫下的主要富集和耐性機(jī)制之一。已有研究報(bào)道，Cd主要分布在龍葵的細(xì)胞壁和核糖體中，并且龍葵葉片、根部和莖部的NaCl提取態(tài)Cd的量比茄子高[32]。所以，龍葵吸收Cd時，細(xì)胞壁內(nèi)的物質(zhì)會與部分Cd離子結(jié)合形成毒性較小的的沉淀和螯合物；或者將Cd區(qū)隔化，使其累積在特定器官或細(xì)胞部位，以此減輕Cd對龍葵的毒害，使龍葵體內(nèi)能夠富集大量的Cd。此外，在細(xì)胞水平上，與非超富集植物茄子相比，龍葵根、莖和葉中的Cd大部分以生物有效性較弱的化學(xué)形式(如NaCl提取態(tài)和醋酸提取態(tài))積累在生物活性較弱的區(qū)域(如表皮毛、根尖細(xì)胞、表皮細(xì)胞和亞表皮細(xì)胞)，這在一定程度上減輕了Cd對龍葵葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理功能的傷害；并且Cd脅迫下，龍葵的細(xì)胞膜通透性好，細(xì)胞膜更加完整。這些特性可能是龍葵超富集Cd的原因之一[32]。

3.2 龍葵抗氧化酶系統(tǒng)對Cd的響應(yīng)

重金屬脅迫會導(dǎo)致植物細(xì)胞產(chǎn)生多種ROS，ROS在植物細(xì)胞內(nèi)的積累會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、DNA損傷、細(xì)胞酶失活以及膜脂過氧化作用等，甚至?xí)?dǎo)致細(xì)胞死亡。而植物細(xì)胞中的抗氧化酶系統(tǒng)，可起到清除ROS的作用，減緩重金屬對植物的毒害[33]。超氧化物歧化酶(SOD)作為解毒過程中第一個產(chǎn)生作用的酶，在它的催化作用下，不同細(xì)胞間產(chǎn)生的超氧陰離子自由基可迅速轉(zhuǎn)化為H2O2[34]，細(xì)胞中積累的H2O2能被過氧化氫酶(CAT)清除。因此，SOD和CAT的結(jié)合在植物對抗環(huán)境脅迫的過程中起著重要作用。過氧化物酶(POD)是參與植物呼吸的重要酶，并且參與木質(zhì)素的生物合成，可將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O。已有很多研究表明，抗氧化防御系統(tǒng)在超富集植物中扮演著重要角色。植物對Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力與其體內(nèi)對Cd離子解毒和抗氧化防御的生理調(diào)節(jié)有關(guān)[35]。

龍葵通過調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性，能夠在不同濃度Cd的脅迫下正常生長。龍葵抗氧化酶活性的變化主要取決于抗氧化酶的類型、施加的Cd濃度、植物暴露在Cd中的時間和部位等[36]。Khan等[37]發(fā)現(xiàn)，龍葵葉片POD活性隨著Cd脅迫水平提高而提高。Xu等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd脅迫下，與茄子相比，龍葵體內(nèi)ROS濃度較低，SOD、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和CAT活性更高，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的含量相對較少。可能是因?yàn)辇埧休^高濃度的ROS清除代謝物谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)，具有較強(qiáng)的自由基清除能力，能夠減輕與Cd相關(guān)的氧化脅迫。Sun等[39]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫降低了龍葵葉片SOD的活性，增加了POD和CAT的活性。這表明，由Cd誘導(dǎo)的SOD活性下降可能是由于SOD在不同細(xì)胞器中催化超氧化物自由基歧化產(chǎn)生H2O2而使酶失活；同時POD和CAT的活性增強(qiáng)可能促進(jìn)了H2O2的清除。Fidalgo等[40]的研究表明，Cd脅迫下龍葵葉片中的APX活性增加，并且其根部同工酶的電泳模式發(fā)生改變。盡管無法確定活性帶(activity band)與同工酶(過氧化物酶體或胞質(zhì))的對應(yīng)關(guān)系，但此結(jié)果表明，Cd不會改變?nèi)魏晤愋驼{(diào)節(jié)APX酶活性的基因表達(dá)，因此可知，這些酶的活性由蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)，而不是通過其基因表達(dá)來調(diào)節(jié)。另外，在Cd脅迫下，Xu等[17]通過轉(zhuǎn)錄組分析，在龍葵和茄子體內(nèi)確定了ns-Hb1基因可能與抗氧化有關(guān)。并且在龍葵根部ns-Hb1是表達(dá)上調(diào)最高的基因，遠(yuǎn)高于茄子根部。植物的ns-Hbs在多種細(xì)胞活動中均起作用，并且它的高度表達(dá)能夠使植物在面臨脅迫時維持大量三磷酸腺苷(ATP)[41]。

由此可見，龍葵在吸收Cd的過程中，離不開抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，當(dāng)龍葵受Cd脅迫時，抗氧化酶會作出相應(yīng)的響應(yīng)和調(diào)整，以維持植物體內(nèi)的活性氧平衡，使龍葵對Cd的耐受性強(qiáng)于非超富集植物。

3.3 龍葵體內(nèi)有機(jī)酸的生成

超富集植物對重金屬的超富集機(jī)制十分復(fù)雜，其中，最重要的機(jī)制之一是誘導(dǎo)植物體內(nèi)金屬配位體的合成，以產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬配位體復(fù)合物，參與植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存和解毒等過程。有機(jī)酸是人們發(fā)現(xiàn)的植物體內(nèi)的重要金屬配位體，重金屬與植物體內(nèi)的檸檬酸、蘋果酸和組氨酸的螯合/絡(luò)合過程增強(qiáng)了超富集植物的修復(fù)潛力[42]。已有很多研究表明了超富集植物中有機(jī)酸和重金屬之間的絡(luò)合作用[43-44]。有機(jī)酸既能夠在土壤固相中，又能在植物根際的土壤溶液中與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，增加重金屬在根際環(huán)境中的流動性，從而提高重金屬的植物有效性。此外，有機(jī)酸與重金屬的結(jié)合，可減少重金屬與植物細(xì)胞內(nèi)重要蛋白質(zhì)或酶結(jié)合的機(jī)會，從而減輕重金屬毒性[45]。與非超富集植物相比，龍葵根部能分泌更多的有機(jī)酸，從而降低土壤pH值。在Cd脅迫下，隨著龍葵生成的檸檬酸濃度的增加，金屬的溶解度和植物對金屬的吸收均有增加[17]。Sun等[46]研究發(fā)現(xiàn)，龍葵葉片中的Cd含量(總Cd和水溶性Cd)與其有機(jī)酸(乙酸和檸檬酸)濃度呈顯著正相關(guān)。另外還有研究表明，Cd脅迫下能夠使龍葵根系分泌物中的檸檬酸和蘋果酸濃度升高[47]。有機(jī)酸起到了螯合作用，并作為將Cd運(yùn)至龍葵葉片液泡中的載體，可將其以穩(wěn)定的化合物形式儲存。因此，認(rèn)為龍葵葉片中的乙酸和檸檬酸可能與其超富集Cd的特性有關(guān)。綜上所述，隨著Cd脅迫濃度上升，龍葵體內(nèi)有機(jī)酸的分泌也隨之升高，其中，檸檬酸、蘋果酸和乙酸與Cd的絡(luò)合作用可以使龍葵超量富集Cd。

3.4 龍葵體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應(yīng)

Cd誘導(dǎo)脯氨酸的積累是植物遭受Cd毒害后的一個重要響應(yīng)機(jī)制。脯氨酸是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，也是一種植物應(yīng)激代謝物，在植物抵抗重金屬脅迫時對植物起保護(hù)作用，它通過與金屬的螯合作用形成無毒的脯氨酸-金屬絡(luò)合物，從而提高了植物的抗逆性[39]。脯氨酸有較強(qiáng)的水合能力，能提高細(xì)胞持水力，從而降低重金屬對植物細(xì)胞的毒害。脯氨酸不僅參與金屬螯合作用，還參與了清除自由基減弱氧化應(yīng)激效應(yīng)。脯氨酸的積累對龍葵吸收Cd十分重要。有研究表明，隨著Cd濃度的增加，龍葵體內(nèi)脯氨酸的含量與Cd濃度存在劑量-效應(yīng)關(guān)系[40]。另有研究表明，與非超富集植物番茄相比，在Cd脅迫下，龍葵體內(nèi)的脯氨酸含量增加更為顯著[48]，因?yàn)橛坞x脯氨酸可與植物中的Cd離子螯合并形成無毒的Cd-脯氨酸復(fù)合物。Xu等[49]的研究表明，外源添加脯氨酸降低了Cd脅迫下龍葵愈傷組織的活性氧水平，并保護(hù)了其質(zhì)膜完整性，從而提高了龍葵對Cd的耐性。脯氨酸通過清除ROS、增加GSH含量和保護(hù)抗氧化酶的活性，在增加Cd吸收和減緩Cd毒性中發(fā)揮重要作用。逆境條件下，脯氨酸的積累可以使細(xì)胞膜正常功能得以維持，有助于細(xì)胞正常的新陳代謝，從而提高龍葵的耐逆性。這些結(jié)果表明，在龍葵體內(nèi)脯氨酸含量與Cd誘導(dǎo)的毒性和氧化損傷之間存在相關(guān)性。此外，龍葵在Cd的長時間脅迫下，脯氨酸參與協(xié)調(diào)葉綠素的合成過程，維持細(xì)胞膜的正常功能，對滲透調(diào)節(jié)起到了一定的作用，進(jìn)而使龍葵對Cd的耐性增強(qiáng)。

除脯氨酸外，可溶性蛋白也是衡量植物體滲透調(diào)節(jié)能力的一個重要指標(biāo)?？扇苄缘鞍鬃鳛闈B透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)植物遭受脅迫時，可通過提高其含量來保護(hù)植物細(xì)胞免受傷害，維持細(xì)胞正常代謝。此外，可溶性蛋白還可使細(xì)胞維持一定的膨壓，從而保證植物的光合作用和氣孔運(yùn)動等生理過程得以正常進(jìn)行。Cd脅迫還可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生Cd結(jié)合蛋白，從而降低Cd的毒性。Cd脅迫誘導(dǎo)可溶性蛋白含量增加，也可能是植物抵抗Cd毒害的一種機(jī)制[50-51]。郭智等[52]研究發(fā)現(xiàn)，龍葵根與葉的可溶性蛋白含量隨著Cd脅迫水平的提高和脅迫時間的延長呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，說明低濃度Cd可促進(jìn)龍葵植物細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成，誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的可溶性蛋白，參與體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)，從而提高龍葵對Cd的耐性。但是，隨著Cd脅迫水平的提高和脅迫時間延長，由于葉片內(nèi)過量積累的Cd離子破壞了部分葉綠體，而植物葉片中約70%的蛋白質(zhì)存在于葉綠體中[53]，致使蛋白質(zhì)含量下降。因此，龍葵對Cd的耐受和積累離不開可溶性蛋白在細(xì)胞內(nèi)的調(diào)節(jié)，當(dāng)龍葵暴露在Cd脅迫下，其體內(nèi)可溶性蛋白含量會增加，以維持細(xì)胞的正常代謝。

3.5 光合和呼吸作用的維持

當(dāng)土壤重金屬濃度升高時，植物對CO2的光合固定速率明顯降低。在0～25 mg·kg-1Cd脅迫下，龍葵恢復(fù)CO2光合固定速率的能力隨著Cd脅迫水平的上升而下降[54]。還有研究表明，隨著Cd脅迫水平上升(0～200 mg·kg-1)，龍葵葉片的光系統(tǒng)Ⅱ(PS Ⅱ)反應(yīng)系統(tǒng)中初始熒光水平顯著增大，最大電子傳遞速率和最大原初光能轉(zhuǎn)化效率明顯下降，說明龍葵的PS Ⅱ反應(yīng)系統(tǒng)被破壞或者遭到可逆失活。同樣地，植物的捕光色素在吸收光能之后，以熱的形式消耗過剩激發(fā)能的能力也明顯提高，說明龍葵以這樣的形式來緩解Cd對植物體的毒害[23]。Cd脅迫還會使龍葵葉片光下暗呼吸速率顯著增大，這說明葉片可能通過增加呼吸作用的方式來獲得更多的能量應(yīng)對Cd產(chǎn)生的毒害作用[55]。植物對重金屬的解毒和對受損部位的修復(fù)均需要增加能量供應(yīng)，這通常需要通過加強(qiáng)呼吸作用來滿足[56]。Cd脅迫下龍葵葉片的暗呼吸速率大幅度增加，使分解代謝加快以獲取更多的能量，從而提高龍葵對Cd脅迫的耐性。

3.6 氮代謝的調(diào)節(jié)

在有關(guān)龍葵超富集Cd的代謝組學(xué)分析中，氮代謝是龍葵體內(nèi)解毒的重要機(jī)制。Cd對植物的毒害主要通過傷害呼吸作用、光合作用和營養(yǎng)代謝等生理過程來抑制植物生長，甚至導(dǎo)致植物死亡[57]。氮代謝是植物重要的營養(yǎng)代謝過程之一，有研究表明，氮代謝失調(diào)是植物遭受Cd毒害的重要原因之一[58]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫通過降低植物對硝酸鹽的吸收、氮代謝關(guān)鍵酶(如硝酸還原酶、谷氨酸脫氫酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶等)的活性[59]來破壞植物的氮代謝過程。氮代謝對重金屬毒性的響應(yīng)十分重要，植物在Cd脅迫下，會通過氮代謝合成一組含氮的代謝產(chǎn)物，氮代謝影響了植物生理功能的水平以及從代謝到資源分配、植物生長和發(fā)育等過程[60]。郭智等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd脅迫下，龍葵葉片的銨態(tài)氮有明顯富集，這可能與龍葵體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶下降有關(guān)，谷氨酰胺合成酶處于氮代謝中心，參與了多種氮代謝的調(diào)節(jié)[61]，其活性的提高可以增強(qiáng)氮代謝的效率。龍葵的谷氨酸脫氫酶活性隨著Cd脅迫水平的提升和處理時間的延長而逐漸升高。谷氨酸脫氫酶可以補(bǔ)充谷氨酸庫，為丙酮酸羧化酶的合成提供原料，同時，可以達(dá)到對高濃度銨循環(huán)的解毒效果，這可能是龍葵較非超富集植物更能富集Cd的一個原因。雖然目前對超富集植物代謝組學(xué)的研究已有不少，但多是氮代謝方面的研究，鮮有較為系統(tǒng)全面的代謝組學(xué)分析，尤其是有關(guān)龍葵超富集Cd的機(jī)制方面很少涉及代謝途徑的研究。

從分子水平看，目前有關(guān)龍葵對Cd超富集的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)分析研究甚少。基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控在超富集植物體內(nèi)的金屬穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[62]；在研究植物應(yīng)對非生物脅迫時可使用蛋白質(zhì)組學(xué)方法，由蛋白質(zhì)相對豐度變化得到其詳細(xì)信息，所以研究蛋白質(zhì)組相互作用網(wǎng)絡(luò)十分重要，可以進(jìn)一步了解植物適應(yīng)脅迫的機(jī)制；植物超富集重金屬的機(jī)制與植物體內(nèi)各種代謝活動都有重要關(guān)聯(lián)。因此，在植物超富集重金屬的機(jī)理研究中深入對其代謝組學(xué)的研究十分重要。

4 總結(jié)與展望(Summary and prospect)

如前所述，龍葵作為一種Cd超富集植物，其根系具有快速從土壤中吸收Cd的能力，并將其有效轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部。面對Cd脅迫，龍葵具有較強(qiáng)的體內(nèi)解毒能力。在生理生化水平上，龍葵體內(nèi)的多種金屬配位體可與Cd離子結(jié)合，形成無毒或毒性較小的沉淀或螯合物，也可將Cd區(qū)隔化，使其累積在特定器官或細(xì)胞部位，以此減輕Cd對龍葵的毒害；龍葵在超富集Cd的過程中，抗氧化系統(tǒng)會作出相應(yīng)的響應(yīng)，以維持植物體內(nèi)的活性氧平衡，使龍葵對Cd的耐受性強(qiáng)于非超富集植物；龍葵體內(nèi)的檸檬酸、蘋果酸和乙酸與Cd的絡(luò)合作用可以使龍葵緩解Cd的毒害；Cd脅迫下龍葵體內(nèi)積累的脯氨酸和可溶性蛋白有助于維持細(xì)胞正常滲透壓，從而提高龍葵的耐Cd性；光合和呼吸作用是植物體內(nèi)最重要的化學(xué)反應(yīng)，一定濃度范圍的Cd脅迫下龍葵能盡力維持光合和呼吸作用。在分子水平上，在Cd的誘導(dǎo)下，龍葵重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因和合成植物螯合素有關(guān)基因的表達(dá)會隨著Cd的積累而增加；龍葵的防御響應(yīng)相關(guān)蛋白和能量代謝相關(guān)蛋白在Cd的毒害下，表達(dá)有所上調(diào)；龍葵在Cd脅迫下體內(nèi)參與氮代謝的多種酶活性提高，增強(qiáng)了氮代謝效率。

目前，關(guān)于運(yùn)用龍葵對Cd污染土壤的修復(fù)，主要是集中于修復(fù)效率和措施方面。雖然已有很多關(guān)于龍葵超富集Cd的機(jī)制研究，但大部分是關(guān)于抗氧化系統(tǒng)、光合作用和重金屬在細(xì)胞內(nèi)分布等，關(guān)于分子機(jī)制的研究還較為薄弱。重金屬對植物的毒害效應(yīng)是多方面的，并且植物對重金屬的富集和解毒機(jī)制也十分復(fù)雜[63]。MacNair[64]曾經(jīng)提出，植物對重金屬的解毒機(jī)制是由多基因控制的，所以，重金屬對植物的毒害效應(yīng)以及植物的解毒機(jī)制是植物的各種生理過程的綜合效應(yīng)。Cd的積累是一個復(fù)雜的生物過程，涉及到根部與葉片之間的基因調(diào)控網(wǎng)的有效協(xié)調(diào)。在今后對龍葵修復(fù)Cd污染土壤的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對龍葵富集Cd的分子機(jī)制研究，如代謝機(jī)理的分子解析、Cd轉(zhuǎn)運(yùn)和耐Cd基因的克隆、轉(zhuǎn)基因研究、風(fēng)險(xiǎn)評估以及蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)分析等。若能從基因編輯技術(shù)方面對龍葵的修復(fù)效率進(jìn)行改善，向龍葵體內(nèi)轉(zhuǎn)入一些能夠在Cd脅迫下高表達(dá)的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因，或許能取得更好的修復(fù)效果。目前，針對龍葵富集Cd后光合作用的響應(yīng)調(diào)控機(jī)制仍不夠清晰，今后可以結(jié)合Farquhar等[65]提出的光合生化模型(FvCB模型)模擬和葉片超微結(jié)構(gòu)觀察等方法來研究龍葵光合作用對Cd的響應(yīng)，以全面揭示龍葵葉片富集大量Cd后的光合響應(yīng)機(jī)制。此外，龍葵對Cd耐性的精細(xì)調(diào)控的信號通路研究也不完善，今后需開展更多的工作。只有充分掌握植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集和耐受重金屬的機(jī)制，才能在利用植物修復(fù)污染土壤的過程中采取更加精準(zhǔn)高效的措施，提高野外條件下植物對重金屬的富集效率，讓植物修復(fù)技術(shù)得到更為普遍的應(yīng)用和推廣。

致謝：感謝昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生導(dǎo)師、美國馬薩諸塞大學(xué)博士后張迪教授潤色英文摘要。