赤霉素介導(dǎo)下植物對重金屬的耐性機(jī)理

張春雨,王海娟,王宏鑌

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

近年來,重金屬污染對土壤環(huán)境的脅迫不斷增強(qiáng),對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了不可忽視的負(fù)面效應(yīng)。土壤環(huán)境中毒性較強(qiáng)的重金屬元素有銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、汞(Hg)以及類金屬砷(As)等[1]。重金屬污染會對植物生長產(chǎn)生不利影響,如使植物正常生長發(fā)育受阻,生物量降低,光合作用受到抑制,活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生,有時(shí)甚至對植物細(xì)胞內(nèi)的DNA、蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)造成干擾和破壞。有些重金屬還易被農(nóng)作物吸收,對人體健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。

通過不斷進(jìn)化與自然選擇,植物發(fā)展出了抵御重金屬毒害的防御機(jī)制,一方面阻止根部吸收重金屬或減少重金屬向地上部運(yùn)輸,避免其進(jìn)入植物內(nèi)部;另一方面植物不斷調(diào)整生長狀態(tài),通過維持各生理生化過程的正常運(yùn)作,包括水和養(yǎng)分的吸收、光合作用的維持、呼吸和蒸騰作用的調(diào)整等方法提高對重金屬的耐性[3]。植物激素是具有調(diào)控植物生長、代謝、應(yīng)答功能的重要物質(zhì),雖然含量甚微,但具有強(qiáng)大的生理調(diào)控能力。植物可通過主動調(diào)節(jié)內(nèi)源激素水平來緩解重金屬脅迫。而通過外源添加某些植物激素,可改善植物對重金屬的耐性,如外源生長素(indole-3-acetic acid,IAA)可減緩Cu對豌豆的毒害作用[4],外源水楊酸(salicylic acid,SA)可降低Cd對睡蓮(Nymphaeatetragona)的脅迫[5]。此外,一些植物激素還可增加植物對重金屬的富集能力[6]。

1 GA提高重金屬脅迫下植物生物量,保護(hù)根系生長

重金屬降低植物營養(yǎng)代謝功能，致使其生物量降低。雖然有些重金屬元素為植物生長發(fā)育所必需,但超過一定濃度后便抑制植物生長。超富集植物提取修復(fù)(phytoextraction)一般僅適用于中、輕度污染土壤。如果土壤重金屬含量過高,會阻礙植物生長發(fā)育,甚至引起植物死亡。GA具有延長莖稈、促進(jìn)葉片膨大的功能，在重金屬脅迫下同樣可維持植物正常生長,并有助于提高植物生物量,而更高的生物量意味著單個(gè)植株可貯存更多的重金屬。

在Pb污染土壤中,葉面噴施10-6mol·L-1GA3可增加玉米(Zeamays)株高、根長以及地上部和地下部干重,促進(jìn)單個(gè)植株對Pb的吸收。HADI等[15]認(rèn)為該現(xiàn)象與玉米根系伸長和生物量增加有關(guān)。在含有1.0 mg·kg-1Cd(NO3)2的污染土壤中,葉面噴施GA3可顯著增加龍葵生物量,其地上部Cd含量增加16%,植株Cd吸收量增加124%[14]。GA提高植物對重金屬的富集能力可能是提高植物根系發(fā)達(dá)程度(根部生物量)和提供更多蓄積位置(地上部生物量)共同作用的結(jié)果。一方面,更為發(fā)達(dá)的根系意味著可吸收養(yǎng)分的土壤體積增加,這有助于植物吸收更多營養(yǎng)物質(zhì)或重金屬;另一方面,更高的地上部生物量將為重金屬提供更多的積蓄位置,避免重金屬過于聚集,從而降低其對植物生理生化過程造成的負(fù)荷[16]。

關(guān)于重金屬脅迫下GA提高植物生物量的機(jī)制,最近有研究從相關(guān)基因表達(dá)及細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的角度給出了一些解釋。GA通過直接介導(dǎo)纖維素聚合物的生物合成影響植物細(xì)胞壁的發(fā)育,如外源添加5 μmol·L-1GA可使高粱(Sorghumbicolor)初生細(xì)胞壁的CESA基因(CESA1、CESA3及CESA6)表達(dá)的差異倍數(shù)上升,正向調(diào)控部分特定纖維素合成酶基因的表達(dá),該結(jié)果揭示了GA與纖維素合成的關(guān)系[17]。此外,HUANG等[18]也提出MYB轉(zhuǎn)錄因子通過GA介導(dǎo)的DELLA-NAC(SLR1)信號直接調(diào)控CESA的轉(zhuǎn)錄。需要注意的是,植物激素間可通過交叉反應(yīng)(crosstalk)調(diào)控細(xì)胞壁纖維素的生物合成。如QUE等[19]發(fā)現(xiàn)在胡蘿卜(Daucuscarota)葉柄細(xì)胞中,油菜素內(nèi)酯(brassinosteroid,BR)通過調(diào)節(jié)內(nèi)源活性GA的水平完成纖維素的沉積。而作為細(xì)胞壁的重要組成,纖維素對緩解重金屬脅迫還具有更重要的意義,如阻止重金屬離子跨膜進(jìn)入原生質(zhì)體,并在重金屬離子的吸收、固定及區(qū)隔化過程中發(fā)揮重要作用。如經(jīng)過Cd處理的秋華柳(Salixvariegata)根、莖細(xì)胞的細(xì)胞壁在去除果膠和半纖維素后,仍含有一定量的Cd,因此除了木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)蛋白以外,一部分的Cd離子極有可能被纖維素固定[20]。而在Pb和Cd共同脅迫下,細(xì)胞壁中的纖維素對金盞菊(Calendulaofficinalis)根部細(xì)胞壁毒害效應(yīng)的減緩也具有較大貢獻(xiàn)。研究者認(rèn)為,Pb和Cd脅迫通過改變細(xì)胞壁組分纖維素的分布特性和排列方式(形成—CH垂直于細(xì)胞軸、分子間氫鍵—OH平行于細(xì)胞軸的存在狀態(tài))來調(diào)控細(xì)胞壁官能團(tuán)特性,并在此過程中不斷提高金盞菊根部適應(yīng)Pb和Cd脅迫的能力[21]。雖然尚未有細(xì)胞壁纖維素調(diào)控和GA誘導(dǎo)的抗重金屬脅迫之間存在關(guān)聯(lián)性的直接證據(jù),但并不能完全排除GA通過對纖維素的影響而抵抗重金屬脅迫的可能性。

2 GA有助于清除活性氧,提高植物抗氧化能力

ROS包括超氧化物(O2·-)、過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)和單線態(tài)氧(1O2),是一類重要的信號物質(zhì),介導(dǎo)植物發(fā)育、重力感應(yīng)以及細(xì)胞程序死亡[22]。然而重金屬與硫醇的結(jié)合會破壞植物細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的動態(tài)平衡,增加ROS,使植物細(xì)胞中蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜脂過氧化水平提高[23]。此外,有證據(jù)表明植物細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的失衡會導(dǎo)致植物內(nèi)源激素合成紊亂。如YANG等[24]發(fā)現(xiàn)Cd2+使欒樹(Koelreuteriapaniculata)細(xì)胞中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)活性下降,而內(nèi)源GA含量從31.84 μg·kg-1降低至23.74 μg·kg-1。植物對ROS的清除依賴于酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)。SOD、CAT、POD和參與抗壞血酸(ASA)-谷胱甘肽(GSH)循環(huán)的關(guān)鍵酶(如抗壞血酸過氧化物酶、脫氫抗壞血酸還原酶、谷胱甘肽還原酶等)是維持ROS平衡的重要抗氧化酶,而非酶抗氧化劑主要包括植物體內(nèi)ASA-GSH循環(huán)的中間代謝物[25]。GA可有效降低植物細(xì)胞的過氧化程度并保護(hù)植物細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)。如在Cd脅迫下,施用100 μmol·L-1GA3可使綠豆(Vignaradiata)細(xì)胞中H2O2減少并保持丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量穩(wěn)定[26]。這是因?yàn)镚A調(diào)節(jié)酶促及非酶促抗氧化系統(tǒng),降低ROS造成的過氧化,維持細(xì)胞內(nèi)氧化狀態(tài)的動態(tài)穩(wěn)定,降低重金屬脅迫[27]。

在暴露于200 μmol·L-1CuCl2中的豌豆(Pisumsativum)植物組織細(xì)胞中存在大量MDA和羰基,但在培養(yǎng)基中加入1 μmol·L-1GA3后,其抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶活性幾乎恢復(fù)到正常水平[4];GANGWAR 等[28]發(fā)現(xiàn)添加10 μmol·L-1的GA可有效緩解Cr脅迫下豌豆地上部和根部CAT活性被抑制的現(xiàn)象;同時(shí),10 μmol·L-1的GA還可有效維持豌豆幼苗中ASA和GSH總量,更為有效地穩(wěn)定了細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)。在100 μmol·L-1的Cd、Cu和Pb脅迫下,10 μmol·L-1GA3可有效降低小球藻(Chlorellavulgaris)中H2O2與MDA含量,增加ASA與GSH總量,提高SOD、CAT及抗壞血酸過氧化物酶活性[27]。這些結(jié)果均表明強(qiáng)化酶促及非酶促抗氧化系統(tǒng)是GA增強(qiáng)植物抵御重金屬脅迫能力的關(guān)鍵機(jī)制之一。

3 GA促進(jìn)光合系統(tǒng)的修復(fù)

重金屬脅迫會降低植物葉片中葉綠素含量,但GA可增加植物葉綠素含量,保障光合作用的正常進(jìn)行。如在50 mmol·L-1Ni脅迫下,小麥中葉綠素含量(鮮重)由2.52 mg·g-1降低至1.23 mg·g-1,但添加10-6mol·L-1GA3可使葉綠素含量回升至3.26 mg·g-1[11];在小球藻受Cd、Cu和Pb脅迫時(shí),10 μmol·L-1GA3可顯著增加其葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素含量[27];AHMAD等[29]認(rèn)為GA誘導(dǎo)葉綠素和類胡蘿卜素含量上升是由于其改善光合色素質(zhì)體形態(tài)發(fā)生(morphogenesis)所致。而葉綠素和類胡蘿卜素含量的增加極大增強(qiáng)了重金屬脅迫下植物光合作用的能力。

光合作用過程涉及的電子、蛋白質(zhì)以及酶對反應(yīng)環(huán)境要求十分嚴(yán)苛,但重金屬離子會對這些物質(zhì)產(chǎn)生干擾,降低光合效率[30]。關(guān)于重金屬脅迫下GA強(qiáng)化光合作用的相關(guān)機(jī)制已有報(bào)道。相關(guān)研究證實(shí),高等植物內(nèi)源GA水平與光合活性呈正相關(guān),內(nèi)源GA的升高可提高光合活性。而在重金屬脅迫下,GA對光系統(tǒng)同樣具有保護(hù)功能。如在高濃度Cu2+環(huán)境中,GA增加了向日葵葉片細(xì)胞中光系統(tǒng)Ⅱ(photosystem Ⅱ,PS Ⅱ)反應(yīng)中心的能量捕獲,同時(shí)增加了外周天線復(fù)合體Ⅱ(light harvesting complex Ⅱ,LHCⅡ)的穩(wěn)定性,提高了凈光合速率(PN)和PS Ⅱ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)[31]。最近,AHMAD等[29]認(rèn)為GA除可增加PS Ⅱ反應(yīng)中心的能量捕獲外,還會提高天線分子向PS Ⅱ反應(yīng)中心的能量傳遞效率,更大程度上刺激其活性。GA還可以通過對光合酶的影響增強(qiáng)植物光合作用效果,提高葉面積指數(shù)和光截留量,提升光合效率,改善PS Ⅱ的活性[32]。此外GA可增加光合產(chǎn)物的源強(qiáng)(source potential)和再分布(redistribution),進(jìn)而增加光合產(chǎn)物的庫強(qiáng)度(sink strength)[33]。GURURANI等[31]還認(rèn)為GA介導(dǎo)下光合作用的改善可能是由于核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶活性的增加進(jìn)而刺激Rubisco亞基的合成所致。

另有研究表明,除直接參與光合系統(tǒng)的修復(fù)外,GA還可以通過減少ROS和以DELLA蛋白為媒介的方式改善光合作用。由重金屬誘導(dǎo)的ROS會影響光合作用中酶的正常功能,破壞光合膜系統(tǒng)并抑制PS Ⅱ效率,而GA可通過減少ROS的產(chǎn)生緩解該現(xiàn)象[34]。其次,相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)DELLA蛋白可通過對GA的響應(yīng)來保障光合作用。葉綠體外膜的蛋白前導(dǎo)入機(jī)制核心由TOC75蛋白傳導(dǎo)通道以及導(dǎo)入受體TOC33和TOC159組成,GA對DELLA蛋白的降解在葉綠素和類胡蘿卜素的生物合成中起關(guān)鍵作用,可調(diào)控葉綠體的分裂和葉肉細(xì)胞中葉綠體基粒的堆積。當(dāng)GA濃度較低時(shí),RGL2蛋白(一種DELLA蛋白)積累,翻譯后修飾機(jī)制通過限制TOC復(fù)合物水平上葉綠體蛋白的導(dǎo)入,使葉綠體發(fā)生受阻;當(dāng)GA積累到較高濃度時(shí),DELLA蛋白被降解,TOC159可立即裝配到TOC復(fù)合物中,這使得光合作用相關(guān)蛋白完全進(jìn)入葉綠體,進(jìn)而增強(qiáng)光合作用[35]。DELLA蛋白的積累還保持了光合膜的完整性,從而更好地保護(hù)放氧復(fù)合體的Mn簇,增加PS Ⅰ循環(huán)電子傳遞能力[30]。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以百香果酸奶感官評分為響應(yīng)值，利用Design-Expert.V8.0.6進(jìn)行PB試驗(yàn)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

4 GA與重金屬區(qū)隔化

植物可通過將重金屬滯留在細(xì)胞壁間或液泡區(qū)隔的方式降低重金屬毒性。植物細(xì)胞壁在其表面提供負(fù)電荷位點(diǎn)結(jié)合重金屬離子,限制其跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn),但這種方法受到重金屬濃度的限制。液泡是大多數(shù)植物細(xì)胞中重金屬的主要儲存場所,重金屬通過與植物螯合素(phytochelatin,PC)結(jié)合進(jìn)入液泡,并以有機(jī)配體-重金屬配合物的形式儲存于其中。目前有研究發(fā)現(xiàn)GA可改變植物細(xì)胞中重金屬的分布。如HE等[36]發(fā)現(xiàn)10 μmol·L-1GA3使黑麥草(Loliumperenne)細(xì)胞壁Cd含量增加35%～60%,可溶部分和細(xì)胞器中Cd含量分別減少4%～14%和23%～45%,并使Cd富集量從0.19 mg·盆-1升高至0.25～0.34 mg·盆-1。重金屬的液泡區(qū)隔化是主要解毒途徑,過量的Cd以Cd-PC復(fù)合物或Cd-谷胱甘肽(Cd-GS)復(fù)合物的形式,通過碳納米管結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體(ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中,而Cd2+通過Cd2+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)或陽離子擴(kuò)散促進(jìn)因子家族轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)。此外,在750 mg·kg-1Pb脅迫下,葉面噴施1～10 μmol·L-1GA3可顯著增加Pb在黑麥草葉片細(xì)胞壁中的比例,減少Pb在可溶組分和細(xì)胞器中的占比,Pb富集量也升高44%～135%。這些結(jié)果表明,重金屬區(qū)隔化是GA介導(dǎo)下植物解毒的重要機(jī)制之一[13]。

重金屬區(qū)隔化常會導(dǎo)致其化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)變,而重金屬的生物毒性與其形態(tài)關(guān)系密切。如對Cd而言,無機(jī)和有機(jī)水溶態(tài)比不溶性磷酸和草酸結(jié)合態(tài)更為有害。HE等[36]的研究表明,GA3在改變黑麥草細(xì)胞中Cd分布的同時(shí),還改變了其不同化學(xué)形態(tài)占比。其他研究者也得到相似結(jié)論:GA3在低濃度(1～10 μmol·L-1)時(shí),黑麥草將Pb積蓄在細(xì)胞壁中,不易遷移的Pb形態(tài)比例也會升高[13]。而這種重金屬化學(xué)形態(tài)的變化有助于降低重金屬對植物的毒性,進(jìn)而增強(qiáng)植物對重金屬的耐性。

5 重金屬脅迫下GA信號傳遞與多種激素間交叉反應(yīng)

植物激素間存在相互控制的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,而重金屬脅迫會導(dǎo)致多種激素含量發(fā)生變化。如Cr脅迫下玉米中GA含量降低,這種抑制效果同樣表現(xiàn)為玉米素(zeatin,ZA)和IAA含量降低,脫落酸(abscisic acid,ABA)含量則顯著提高[37]。在Cd脅迫下,低Cd積累基因型小麥中GA、IAA及玉米素核苷(zeatin-riboside,ZR)含量下降,ABA含量上升[38]。有研究表明,外源補(bǔ)充GA會促使其他激素含量改變,提高植物對重金屬的耐性。例如,50 μmol·L-1AlCl3會抑制黑麥(Secalecereale)根尖中植物激素分泌并破壞各激素間的平衡,導(dǎo)致GA與ZR含量下降,IAA和ABA含量上升。而ABA/GA和IAA/GA值增加還抑制了黑麥根系的生長。HE等[39]通過增加GA含量,促使各激素相互調(diào)節(jié),使IAA/ZR和GA/ZR值升高,最終緩解了Al脅迫。

植物激素的分子信號傳遞是激素控制植物生長以及調(diào)節(jié)其他激素的重要橋梁。GA是如何引起一系列的生理學(xué)效應(yīng)并將信號傳遞給下游的?GA信號通路的揭示提供了一個(gè)有參考價(jià)值的線索[40]。目前對GA信號傳遞的公認(rèn)描述是GA-GID1-DELLA調(diào)控模塊的分子基礎(chǔ)和進(jìn)化模式,即GID1蛋白與GA結(jié)合并改變分子構(gòu)象,形成的疏水表面與DELLA蛋白結(jié)合形成GA-GID1-DELLA復(fù)合體。該復(fù)合體中DELLA蛋白C端與SCFSLY1/GID2/SNE相互作用,經(jīng)26S蛋白酶識別并降解[41]。在該調(diào)控模式中,DELLA蛋白通過與植物色素相互作用因子PIF4的轉(zhuǎn)錄因子DNA識別域結(jié)合來抑制細(xì)胞的伸長,負(fù)向調(diào)節(jié)植物生長[42]。更為重要的是,DELLA蛋白還是GA與其他植物激素發(fā)生交叉反應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),對重金屬耐性具有十分重要的調(diào)節(jié)功能[43]。

環(huán)境脅迫會導(dǎo)致ABA積累并誘導(dǎo)抗性基因的表達(dá)。例如在Zn脅迫下,灰楊(Populuspruinosa)的黃色條紋家族蛋白2(YSL2)和植物鎘抗性蛋白2(PCR2)的基因轉(zhuǎn)錄水平升高,但外源添加ABA可對其產(chǎn)生有效抑制并緩解Zn對灰楊的脅迫[44]。有研究證實(shí),DELLA蛋白在ABA-GA交叉反應(yīng)中起重要作用。RING-H2鋅指因子XERICO是公認(rèn)的DELLA目標(biāo)之一,可促進(jìn)ABA的積累并與GA產(chǎn)生拮抗作用[45]。在水稻中,ABA還誘導(dǎo)GA抑制WRKY因子OsWRKY51 和OsWRKY71 連接糊粉蛋白細(xì)胞中的信號,從而支持這2種激素交叉反應(yīng)[46]。外源添加10 μmol·L-1GA3可顯著改善瑞香(Daphnejasminea)對Ni脅迫的反應(yīng),WISZNIEWSKA等[47]發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是由于過氧化物酶體反應(yīng)刺激改變內(nèi)源性茉莉酸(jasmonic acid,JA)的合成所致。一些植物中GA與JA的拮抗機(jī)制已被闡明,如在水稻中GA-JA拮抗反應(yīng)與SLR1蛋白介導(dǎo)的GA信號通路抑制有關(guān)[48]。OsJAZ9 蛋白與SLR1 蛋白(一種重要的DELLA蛋白)可以發(fā)生相互作用,由此導(dǎo)致GA與JA表現(xiàn)為拮抗關(guān)系[49]。此外,之前的研究還認(rèn)為COI1 編碼一種F-box蛋白——SCFCOI1E3泛素連接酶蛋白,具有調(diào)節(jié)JA和感知信號的功能[50]。對模式植物擬南芥的研究發(fā)現(xiàn),GA3通過調(diào)節(jié)擬南芥的生長素轉(zhuǎn)運(yùn)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo),增強(qiáng)了根系對外源生長素的響應(yīng)能力。GA3可以根據(jù)生長素信號突變體的根系伸長和反應(yīng)性報(bào)告基因的表達(dá)來調(diào)節(jié)生長素信號,增加了根分生組織和伸長區(qū)DR5∷GUS及IAA2∷GUS的表達(dá)。進(jìn)一步研究表明,GA3可通過AUX1 和PIN 蛋白促進(jìn)生長素的轉(zhuǎn)運(yùn)[51]。

植物激素間的交叉反應(yīng)十分復(fù)雜,除上述以DELLA蛋白為核心的機(jī)制以外,一些氣體信號分子(如一氧化碳、一氧化氮和硫化氫等)和一些microRNAs(miRNAs)也具有激素間信號傳遞的功能,共同協(xié)調(diào)各激素以緩解重金屬脅迫。如一氧化氮降低豇豆(Vignaunguiculata)的ABA含量,并促進(jìn)包括GA在內(nèi)的其他植物激素水平含量,以提高其對Pb的耐性[52]。BANERJEE等[53]報(bào)道了GA下調(diào)小麥糊粉層細(xì)胞中半胱氨酸脫硫酶的表達(dá)并抑制硫化氫的生成,進(jìn)而影響內(nèi)源GSH的產(chǎn)生,提高抗氧化系統(tǒng)活性并阻止糊粉層細(xì)胞程序性死亡。除了氣體信號分子,一些miRNAs同樣具有激素間信號傳遞功能，如GA通過miR159、miR156 和miR396 等與其他植物激素發(fā)生交叉反應(yīng)[54]。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

赤霉素除具有調(diào)控植物生長發(fā)育的功能外,還可增強(qiáng)植物對重金屬的耐受性并提高其對重金屬的吸收量。而赤霉素介導(dǎo)下植物對重金屬的耐性機(jī)理主要包括植物生物量維持、抗氧化作用增強(qiáng)、光合系統(tǒng)修復(fù)、重金屬區(qū)隔化和信號傳遞等。面對重金屬污染,赤霉素可通過這些途徑對脅迫作出響應(yīng),如通過調(diào)整抗氧化酶的活性以保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能免受活性氧自由基的傷害;在光合系統(tǒng)中,通過提高葉綠素含量而使植物在重金屬脅迫下能正常生長;通過改變重金屬離子在植物細(xì)胞壁和細(xì)胞器中的分布而使其對重金屬離子實(shí)現(xiàn)區(qū)間隔離和解毒等。此外,GA可調(diào)控部分特定纖維素合成酶基因的表達(dá)以促進(jìn)纖維素的生成,并通過DELLA蛋白、氣體信號分子和miRNAs與其他植物激素發(fā)生交叉反應(yīng),進(jìn)而調(diào)節(jié)植物對重金屬的耐性。

6.2 展望

6.2.1重金屬脅迫下GA的合成及分解機(jī)制有待深入研究

在高等植物中,赤霉素合成途徑可根據(jù)參與酶的種類及在細(xì)胞中不同合成位置分為3個(gè)階段:首先,牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸在古巴焦磷酸合成酶和內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶催化下形成內(nèi)根-貝殼杉烯;然后,內(nèi)根-貝殼杉烯在內(nèi)根-貝殼杉烯氧化酶和內(nèi)根-貝殼杉烯酸氧化酶作用下形成GA12-醛;最后,GA12-醛經(jīng)GA20氧化酶(GA20ox)、GA3氧化酶(GA3ox)和GA2氧化酶(GA2ox)作用轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類的GA。已有文獻(xiàn)報(bào)道,重金屬脅迫會導(dǎo)致遺傳物質(zhì)損傷并降低基因組模板穩(wěn)定性,導(dǎo)致內(nèi)源GA含量降低[55]。但重金屬對GA合成代謝途徑中哪些基因片段造成了影響或損傷?GA2ox、GA3ox及GA20ox是GA合成過程中重要的氧化酶基因,在重金屬脅迫下它們的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)變化調(diào)節(jié)機(jī)制如何?這些問題目前鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。

6.2.2GA提高植物耐受重金屬的相關(guān)機(jī)制需要更為深入的研究

目前關(guān)于GA提高植物對重金屬耐性或增加植物富集能力的研究大多只關(guān)注于富集重金屬量的多少,對其生理過程尤其分子機(jī)制的研究相對較少。如GA如何調(diào)動抗氧化酶系統(tǒng)應(yīng)激、其中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制如何、有無其他激素參與等問題。此外,針對GA介導(dǎo)下植物細(xì)胞形態(tài)學(xué)上變化情況的研究也不多見。如GA可以增強(qiáng)小麥在Cd脅迫下的光合作用,提高光合速率,增加氣孔導(dǎo)度。而目前認(rèn)為,Cd對光合系統(tǒng)的毒性與氣孔密度的改變、光合放氧和類囊體超微結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)[31]。因此,包括GA在內(nèi)的植物激素是否會改變?nèi)~綠體的組裝和結(jié)構(gòu)具有重要的研究價(jià)值。此外,掃描電鏡和紅外熱像分析還表明,GA信號通路重要赤霉素受體GID1(gibberellin-insensitive dwarf 1, GID1)參與到葉片氣孔調(diào)節(jié),而其中相關(guān)細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)變化及相關(guān)分子機(jī)制還有待進(jìn)一步探明[45]。

6.2.3重金屬脅迫下GA在植物激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的功能和機(jī)制研究需要進(jìn)一步完善

如前所述,植物激素調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)是一套龐大而復(fù)雜的應(yīng)激系統(tǒng),遺傳物質(zhì)和各類信號分子均參與其中。如GA3能逆轉(zhuǎn)三唑類化合物的形態(tài)和脅迫保護(hù)作用,其自身的信號機(jī)制受乙烯影響,而乙烯則被認(rèn)為與植物激素之間存在交叉反應(yīng)[33];BR顯著誘導(dǎo)了GA生物合成基因之一D18/GA3ox-2的表達(dá),導(dǎo)致水稻幼苗中GA1水平升高。當(dāng)感受到過量活性BR時(shí),激素主要通過上調(diào)GA失活基因GA2ox-3來誘導(dǎo)GA失活并抑制BR的生物合成[56];OsbHLH148和OsPIL14分別編碼控制JA和GA反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,使兩者拮抗表達(dá)[49]。此外,GA-GID1-DELLA復(fù)合物還與第二信使和其他植物激素相互作用,整合環(huán)境和內(nèi)源信號通路,控制植物激素的穩(wěn)態(tài)和其他生物進(jìn)程[57]。由于植物激素網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,在重金屬脅迫下GA調(diào)控植物激素網(wǎng)絡(luò)的研究并不多見。在重金屬的影響下,哪些激素會發(fā)生變化,相應(yīng)的基因又會如何表達(dá)?表觀遺傳因子以及非編碼RNA是否在交叉反應(yīng)中發(fā)揮作用?這些分子水平上的作用機(jī)制目前鮮見報(bào)道,而這些方面的深入研究有望揭示重金屬脅迫下GA的作用機(jī)制。

6.2.4GA對植物修復(fù)效率的影響需要繼續(xù)探索

外源施加植物激素的濃度、持續(xù)時(shí)間、噴施方式等眾多因素對植物的生理活動均會造成不同影響,噴施不當(dāng)有時(shí)反而會降低植物對重金屬的耐性或富集量。比如豌豆在受Cr污染的情況下,施用濃度為10 μmol·L-1的GA3可保持豌豆種子的萌發(fā)率,提高生物量,保持總蛋白和營養(yǎng)物質(zhì)含量,維持氮素循環(huán)和氧化還原狀態(tài)穩(wěn)定,但當(dāng)GA3濃度為100 μmol·L-1時(shí)卻得到了相反效果[28];1～10 μmol·L-1GA可增加黑麥草對Pb的富集,但100 μmol·L-1GA反而使其生物富集系數(shù)從對照組的1.2降至0.91[13]。植物修復(fù)技術(shù)因受植物生長緩慢、生物量小、修復(fù)效率低等問題困擾[58],外源施加植物激素是一種簡單有效且無副作用的綠色修復(fù)方式,不失為一種彌補(bǔ)植物修復(fù)能力不足的解決方案。但具體植物所對應(yīng)的GA最適濃度和噴施方式等信息還需要大量研究來確定。此外,多種植物激素聯(lián)合使用已被證實(shí)是一種有效增加植物修復(fù)效率的措施。如向言詞等[59]使用IAA與GA或6-芐基腺嘌呤聯(lián)合作用協(xié)同強(qiáng)化芥菜型油菜(Brassciajuncea)和甘藍(lán)型油菜(B.napus)富集Cd的能力;吳東墨等[60]通過生長素與激動素配合施用,增加了蜈蚣草(Pterisvittata)對As的富集。然而其他植物激素與赤霉素復(fù)合施用在植物修復(fù)中的效果還需要進(jìn)一步深入研究。

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。