重金屬污染土壤植物修復(fù)中細(xì)胞分裂素的作用與機(jī)制

方治國(guó),楊 青,謝俊婷,都韶婷

1 浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310016 2 浙江樹(shù)人大學(xué)交叉科學(xué)研究院,杭州 310015

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場(chǎng)所,是人類賴以生存和發(fā)展的根本基礎(chǔ),土壤環(huán)境中重金屬污染已受到各國(guó)科研人員的高度關(guān)注。重金屬具有高毒性、持久性、隱蔽性和難降解性,進(jìn)入環(huán)境后不斷遷移,通過(guò)生物鏈富集作用直接或間接地危害人體健康[1]。目前,重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等,在實(shí)踐過(guò)程中也逐漸開(kāi)展了多種修復(fù)方式的聯(lián)合應(yīng)用。植物修復(fù)因投資成本低、二次污染易控制、環(huán)境擾動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)受到研究學(xué)者的青睞[2]。強(qiáng)化植物修復(fù)效果的技術(shù)手段主要有水肥調(diào)控、菌劑接入、基因工程、螯合鈍化劑和土壤動(dòng)物添加等,這些技術(shù)措施改變了植物的生長(zhǎng)狀態(tài)、生化特征和抗性能力等,進(jìn)而會(huì)影響植物修復(fù)的整體效果[3]。

植物內(nèi)源激素是植物體內(nèi)存在調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育的低濃度小分子有機(jī)物,共分為七大類：細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)、生長(zhǎng)素 (auxin,IAA)、乙烯 (ethylene)、脫落酸 (abscisic acid,ABA)、赤霉素 (gibberellin,GA)、油菜素甾醇 (brassinosteroids,BR)及其它植物激素 (水楊酸、茉莉酸等)[4]。隨著科研人員對(duì)植物內(nèi)源激素系統(tǒng)性研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)其在重金屬污染土壤植物修復(fù)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。近年來(lái),IAA、ABA、GA等內(nèi)源激素在植物修復(fù)中的應(yīng)用及作用機(jī)理已開(kāi)展了大量研究,但與CTK相關(guān)的研究?jī)?nèi)容與作用機(jī)制報(bào)道較少[5-7]。論文以CTK在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育及強(qiáng)化重金屬污染土壤植物修復(fù)中所取得的研究成果為基礎(chǔ),重點(diǎn)整合了CTK對(duì)植物機(jī)體生理生化過(guò)程中的調(diào)控機(jī)理,系統(tǒng)論述了CTK對(duì)強(qiáng)化重金屬污染土壤植物修復(fù)中的作用與機(jī)制,并展望了CTK在植物修復(fù)中的研究方向。

1 細(xì)胞分裂素的種類與作用機(jī)制

1.1 細(xì)胞分裂素的概念和種類

1957年Skoog等[8]通過(guò)對(duì)鯡魚精子 DNA 樣本進(jìn)行高壓滅菌純化出一種名為激動(dòng)素 (kinetin,KT)的物質(zhì),用該物質(zhì)對(duì)煙草 (Tobacco)愈傷組織進(jìn)行體外培育發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)愈傷組織細(xì)胞分裂；1963年,Letham等[9]從玉米種子中提取出類似KT的物質(zhì),并發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)是一種天然存在高活性的細(xì)胞分裂刺激劑,最終命名為玉米素 (zeatin,ZT)。隨著科學(xué)研究不斷深入,Skoog等提出將所有與KT有相同作用的可促進(jìn)植物細(xì)胞分裂、誘導(dǎo)葉芽形成、調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育的化合物,統(tǒng)稱為細(xì)胞分裂素 (cytokinin,CTK)[10]。

目前,CTK主要分為自然存在和人工合成兩大類,天然細(xì)胞分裂素是在N6位具有類異戊二烯或芳香族側(cè)鏈的腺嘌呤衍生物[11],高等植物體內(nèi)最豐富的類異戊二烯類CTK主要包括：異戊烯腺嘌呤 (isopentenyl adenine,iP)、順式玉米素 (cis-zeatin,cZ)、反式玉米素 (trans-zeatin,tZ)和二氫玉米素 (dihydrozeatin,DHZ)[10],而天然芳香族類CTK在植物體內(nèi)含量較低,其中活性最高的CTK主要是6-芐基腺嘌呤 (6-Benzylaminopurine,6-BA)以及它的相關(guān)衍生物[12]。常見(jiàn)的人工合成CTK主要有KT、6-BA、ZT、四氫吡喃芐基腺嘌呤(tetrahydropyranyl benzyladenine,PBA)等[13],針對(duì)CTK對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用機(jī)制與效果,人工合成的CTK外源物質(zhì)在農(nóng)業(yè)以及園藝方面有著廣泛的應(yīng)用。

1.2 細(xì)胞分裂素在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的作用

CTK對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控作用主要包括：促進(jìn)植物細(xì)胞分裂與分化、調(diào)節(jié)葉芽和根部生長(zhǎng)、減輕頂端優(yōu)勢(shì)、延緩葉片衰老、促進(jìn)葉綠體發(fā)育等。研究表明,植物七大類內(nèi)源激素的主要作用機(jī)制與影響效果雖各不相同,但對(duì)于植物生理過(guò)程的調(diào)控往往涉及多種激素的共同參與[14],其中CTK便與其他內(nèi)源激素存在信號(hào)串?dāng)_與相互作用。例如：乙烯在植物體內(nèi)調(diào)控衰老過(guò)程,誘導(dǎo)果實(shí)成熟,而Zdarska等[15]研究發(fā)現(xiàn)植物根部的乙烯通過(guò)信號(hào)傳遞調(diào)節(jié)CTK多步磷酸化正調(diào)節(jié)劑arabidopsisresponseregulator10 (ARR10)表達(dá),激活了植物根部合成CTK,進(jìn)而促進(jìn)根尖分生組織 (root apical meristem,RAM)細(xì)胞分裂與發(fā)育,這表明乙烯與CTK彼此間的相互作用,調(diào)節(jié)著根部萌發(fā)與生長(zhǎng)；ABA主要是一種引起植物幼芽休眠、葉片脫落、生長(zhǎng)延緩等生理作用的內(nèi)源激素,而在干旱條件下,CTK會(huì)與ABA產(chǎn)生拮抗作用,通過(guò)誘導(dǎo)葉片氣孔閉合,提高植物對(duì)干旱脅迫的耐受性[16]；GA在高羊茅 (Tallfescue)體內(nèi)通過(guò)刺激蘗芽負(fù)調(diào)節(jié)基因teosintebranched1 (FaTB1)表達(dá),抑制分蘗芽生長(zhǎng)發(fā)育[17],而Zhuang等[18]通過(guò)外源施加10 μmol/L的CTK,發(fā)現(xiàn)蘗芽抑制作用得到緩解,分蘗芽長(zhǎng)度顯著提升。以上結(jié)果皆表明CTK與內(nèi)源激素間會(huì)通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)、協(xié)同與拮抗等作用共同調(diào)控植物生理活動(dòng)[19]。

2 重金屬污染土壤植物修復(fù)中細(xì)胞分裂素的作用與機(jī)制

2.1 增強(qiáng)光合作用,延緩葉片衰老,提升植物抗性能力

植物體內(nèi)葉綠體是CTK 作用的主要靶標(biāo)之一,內(nèi)源CTK激活葉綠體基因轉(zhuǎn)錄,外源CTK可提高葉綠體合成蛋白質(zhì)水平,促進(jìn)葉綠素合成酶的形成,增強(qiáng)植物光合作用[20]。Lu等[21]發(fā)現(xiàn)在擬南芥 (Arabidopsisthaliana)內(nèi)源CTK應(yīng)答基因cytokinin-responsivegata1 (CGA1)信號(hào)傳導(dǎo)的下游,硝酸鹽誘導(dǎo)的碳代謝基因GATA,nitrate-induciblecarbon-metabolism-involved(GNC)受到刺激并轉(zhuǎn)錄,CGA1和GNC作為葉綠體發(fā)生的兩個(gè)主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,彼此相互作用促進(jìn)了葉綠體分裂與生長(zhǎng)；同時(shí)Criado等[22]發(fā)現(xiàn)外源6-BA刺激小麥 (TriticumaestivumL.)葉綠體基質(zhì)膨脹,促進(jìn)葉綠素含量增加,抑制蛋白質(zhì)在體內(nèi)降解,顯著提高了葉片蛋白質(zhì)和淀粉含量。內(nèi)源CTK調(diào)節(jié)植物光合作用,而外源根部施加、葉面噴施CTK皆會(huì)促進(jìn)體內(nèi)葉綠素含量顯著上升,降低葉綠體損傷,增強(qiáng)植物光合作用能力[23]。

在葉片衰老初期,衰老啟動(dòng)子senescence-associatedgene12 (SAG12)會(huì)被激活,促進(jìn)異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因isopentenyltransferasegene(IPT)合成CTK[24],生成的CTK會(huì)促進(jìn)體內(nèi)與脂肪酸代謝相關(guān)的蛋白質(zhì),如：脂氧合酶、?；d體等蛋白表達(dá),清除葉面細(xì)胞的活性氧自由基,同時(shí)CTK還會(huì)促進(jìn)氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因Ntransport-regulatedgene1.1 (TaNRTs1.1,TaNRT1.3,TaNRT1.4)表達(dá),提高硝酸還原酶活性,減輕細(xì)胞膜氧化損傷[25—26]。同時(shí),Liu等[27]采用0.01、0.1、1、10μmol/L的6-BA進(jìn)行水稻 (OryzasativaL.)葉片培育,發(fā)現(xiàn)葉片衰老速度與濃度呈負(fù)相關(guān),且6-BA下調(diào)了氨基酸代謝基因Osl20和Osh36、應(yīng)激反應(yīng)基因Osl43等SAGs代表性基因的轉(zhuǎn)錄水平,抑制了衰老基因表達(dá),同時(shí)植物體內(nèi)6-BA與茉莉酸調(diào)節(jié)葉綠素降解基因chlorophyll-degradation-relatedgenes(CDRGs)表達(dá),彼此間通過(guò)拮抗作用,調(diào)控葉片衰老過(guò)程[28]。

因重金屬脅迫致使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),引起植物代謝產(chǎn)物紊亂、脂質(zhì)過(guò)氧化、酶活性降低、細(xì)胞膜損傷、細(xì)胞失活甚至死亡[29],此時(shí)植物激活抗氧化系統(tǒng),通過(guò)釋放抗氧化物質(zhì)抵御ROS損害。其中,Zhou等[30]在鎘和鋅復(fù)合污染條件下,對(duì)海濱錦葵 (Kosteletzkyapentacarpos)施加10 μM的t-ZR,顯著降低了丙二醛 (malondialdehyde,MDA)含量；Wang等[31]在砷 (As)污染土中種植0、0.1、0.5、1.5mg/L的KT浸泡后的玉米 (Maize)種子,收獲后測(cè)定發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,SOD)活性在0.5mg/L的處理組下提高50%,其后逐漸下降；在1.5mg/L處理時(shí),體內(nèi)過(guò)氧化物酶 (peroxidase,POD)、過(guò)氧化氫酶 (ctalase,CAT)活性提高約50%,體內(nèi)As含量提高3倍。以上結(jié)果表明外源CTK能 提高SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性，增加抗壞血酸、脯氨酸、可溶性蛋白等非酶抗氧化劑含量,同時(shí)降低MDA、H2O2、超氧陰離子自由基 (O2-)等膜脂質(zhì)過(guò)氧化指標(biāo),減輕ROS積累與損傷,提高重金屬脅迫抗性,這一作用保障了植物在重金屬脅迫下良好生長(zhǎng)狀態(tài),為重金屬污染土壤植物修復(fù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[32—33]。

2.2 調(diào)控根莖葉發(fā)育,增加植物生物量,強(qiáng)化植物富集效果

植物內(nèi)源CTK主要在根部產(chǎn)生,其會(huì)抑制根部生長(zhǎng)因子表達(dá),并與IAA產(chǎn)生拮抗作用,負(fù)調(diào)控根部生長(zhǎng)。一方面,當(dāng)CTK與IAA比值在根部低時(shí)才會(huì)促進(jìn)細(xì)胞增殖,根部器官主是由RAM分化而來(lái)[34],在RAM發(fā)育初期,首先CTK信號(hào)表達(dá)增強(qiáng)[35],在IAA接收信號(hào)后,會(huì)直接抑制A類CTK響應(yīng)調(diào)節(jié)因子ARR7和ARR15表達(dá),促進(jìn)CTK負(fù)調(diào)節(jié)因子arabidopsishistidinephosphotransferprotein6 (AHP6)轉(zhuǎn)錄上升,其后CTK含量逐漸下降,與此同時(shí)IAA負(fù)調(diào)節(jié)蛋白shortpypocotyl2 (SHY2)活性被抑制,IAA外輸載體蛋白PIN-formed(PIN)表達(dá)上升,IAA合成逐漸上升[36]。其后,CTK又會(huì)通過(guò)B型ARR刺激SHY2信號(hào)表達(dá),抑制PIN活性,阻礙IAA合成,因此,CTK與IAA二者主要通過(guò)信號(hào)傳遞以及拮抗作用,協(xié)調(diào)根部發(fā)育[37]。另一方面,內(nèi)源CTK還會(huì)下調(diào)根部促生長(zhǎng)因子stuntedplant1 (STP1)表達(dá),Werner等[38]發(fā)現(xiàn)在擬南芥細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶cytokininoxidasesdehydrogenase(CKX)過(guò)表達(dá)的突變體中,CTK含量的降低導(dǎo)致STP1蛋白合成上升,根部生長(zhǎng)顯著優(yōu)于野生型,因此CTK對(duì)于植物根部生長(zhǎng)發(fā)育往往起到負(fù)調(diào)控作用。

植物內(nèi)源CTK通過(guò)與莖尖分生組織 (shoot apical meristem,SAM)相關(guān)基因的相互作用,調(diào)控植物SAM區(qū)域活性與大小。首先,在SAM中心與分生組織穩(wěn)態(tài)和葉片發(fā)育有關(guān)的I類家族基因knotted1-likehomeobox(KNOX)轉(zhuǎn)錄因子會(huì)直接激活I(lǐng)PT基因[39],促進(jìn)區(qū)域內(nèi)CTK合成,促進(jìn)SAM細(xì)胞分裂,Kurakawa等[40]發(fā)現(xiàn)在水稻SAM中當(dāng)CTK激活酶基因LONELYGUY(LOG)表達(dá)后,會(huì)促進(jìn)無(wú)活性的CTK轉(zhuǎn)化為具有生物活性的游離堿形式,致使CTK在特定發(fā)育域中被激活,進(jìn)而直接提高SAM活性。其次,同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子WUSCHEL(WUS)是定義干細(xì)胞生態(tài)位的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑,并且WUS是誘導(dǎo)SAM增殖分化的直接媒介[41],CTK通過(guò)B型ARR激活SAM中WUS的轉(zhuǎn)錄,刺激分生組織啟動(dòng)與發(fā)育[42]。同時(shí),Chatfield等[43]發(fā)現(xiàn)在擬南芥ARR7和ARR15過(guò)表達(dá)突變體內(nèi)CTK含量顯著下降,與野生型相比SAM細(xì)胞活性、莖部發(fā)育都受到顯著抑制,由此表明CTK在莖尖分生組織局部激活、分裂分化、活性提高等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

植物富集是利用植物根系從土壤中吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)移到可收獲的地上部分,并且可從植物的可收獲部分中回收金屬,但如今許多超級(jí)累植物如印度薺菜 (Brassicajuncea)、擬南芥、東南景天 (Sedumalfrediihance)、天藍(lán)遏蘭菜 (ThlaspicaerulescensL.)等自身生物量較小[44],且多數(shù)植物在生長(zhǎng)過(guò)程中存在一定程度的頂端優(yōu)勢(shì),抑制了側(cè)枝發(fā)育[45],這更加減小了重金屬蓄積空間,導(dǎo)致植物修復(fù)效果難以達(dá)到預(yù)期要求。外源CTK的應(yīng)用可減輕植物頂端優(yōu)勢(shì),促進(jìn)葉片和側(cè)芽細(xì)胞的分裂,增加植物生物量,擴(kuò)大重金屬蓄積體,增強(qiáng)重金屬富集效果。Luo等[46]通過(guò)對(duì)桉樹(shù) (Eucalyptusglobulus)進(jìn)行葉片噴施20 mg/kg的商業(yè)產(chǎn)品CTK,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組整株生物量與對(duì)照相比增長(zhǎng)了39.1%,同時(shí)Thomas[47]等在銅 (Cu)脅迫下,發(fā)現(xiàn)在CTK過(guò)表達(dá)煙草中生物量顯著增加,成熟葉片中Cu富集量提高8倍。其實(shí)在植物莖葉部位,當(dāng)CTK與IAA比值高時(shí),會(huì)促進(jìn)頂端以下腋芽枝條發(fā)育[48],此時(shí)外源CTK會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)源t-ZR、IP,而內(nèi)源CTK的B型ARR信號(hào)因子會(huì)直接激活CTK受體蛋白組氨酸蛋白激酶arabidopsishistidinekinase4 (AHK4)、CKX4/5、WUS等基因表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)葉片幼芽細(xì)胞分裂增殖[49]。植物體內(nèi)CTK對(duì)于根莖葉發(fā)育起到的基礎(chǔ)調(diào)控作用,為外源CTK應(yīng)用增加植物生物量提供理論支持,因此CTK能夠通過(guò)擴(kuò)大重金屬植物蓄積體進(jìn)而提高重金屬富集量[49]。

2.3 增強(qiáng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá),提高葉面蒸騰作用,促進(jìn)重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)

重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程直接影響著根部對(duì)重金屬的吸收程度,轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是植物體內(nèi)一類膜蛋白,可實(shí)現(xiàn)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分、代謝產(chǎn)物、有毒污染物等生物分子,轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)吸收、生長(zhǎng)發(fā)育、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和脅迫反應(yīng)至關(guān)重要[50]。CTK通過(guò)影響部分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá),調(diào)控植物對(duì)于重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明,擬南芥對(duì)砷 (As)的吸收量與體內(nèi)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白phosphatetransporter1;1 (PHT1;1)的表達(dá)密切相關(guān)[51],Castrillo等[51—52]在As脅迫下通過(guò)對(duì)擬南芥進(jìn)行qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)體內(nèi)CKX1基因過(guò)表達(dá)時(shí),體內(nèi)PHT1;1表達(dá)被抑制了2.7倍,且體內(nèi)As含量與對(duì)照組相比顯著下降；Jiang等[53]發(fā)現(xiàn)擬南芥功能缺失突變體ipt 1 3 5 7體內(nèi)硒 (Se)含量降低47.8%,而受體缺失突變體AHK2和AHK3 體內(nèi)Se含量增加35.4%、24.1%,由于亞硒酸鹽被植物中的磷酸鹽 (Pi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收[54],通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)ipt 1 3 5 7體內(nèi)PHT1;1、PHT1;8轉(zhuǎn)錄分別降低了57.4%、62.7%,而突變體AHK2、AHK3 體內(nèi)PHT1;1轉(zhuǎn)錄提高1.22、1.11倍,PHT1;8轉(zhuǎn)錄增加0.86、0.76倍,PHT1;9增加0.69和0.50倍,這些結(jié)果表明內(nèi)源性CTK可通過(guò)促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá),促進(jìn)植物對(duì)污染物的吸收和積累。其實(shí),在植物機(jī)體內(nèi)也存在著與重金屬排毒有關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,這些轉(zhuǎn)運(yùn)家族主要包括：ATP結(jié)合盒式蛋白ATP-bindingcassette(ABC)、金屬耐受蛋白metaltoleranceprotein(MTP)、多藥及有毒化合物外排蛋白multidrugandtoxinextrusion(MATE)、鋅鐵調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZRT and IRT-likeprotein(ZIP)等[55-57],能夠調(diào)控根部對(duì)重金屬的吸收,協(xié)調(diào)機(jī)體內(nèi)部重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn),維持著胞內(nèi)胞外毒物的平衡。目前,CTK與各類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)性研究報(bào)道較少,其作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索和研究。

植物葉面氣孔影響著植物蒸騰作用,外源CTK可通過(guò)調(diào)控葉表皮氣孔細(xì)胞活動(dòng),增強(qiáng)蒸騰作用[58],促進(jìn)重金屬吸收。一方面,CTK與氣孔發(fā)育關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子speechless(SPCH)相互作用,調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育的起始,同時(shí)CTK通過(guò)A型ARR16、ARR17信號(hào)調(diào)控氣孔譜系細(xì)胞的分裂,增加氣孔數(shù)量[59]；另一方面,植物自身通過(guò)促進(jìn)ZjPYR1、SmGRP1等基因的表達(dá),增強(qiáng)氣孔細(xì)胞對(duì)ABA的敏感性,抑制葉片氣孔開(kāi)放[60-62],而CTK通過(guò)B型ARR1,11,12等抑制ABA正調(diào)節(jié)因子蔗糖非發(fā)酵-1相關(guān)蛋白激酶基因sucrosenon-fermenting-1-relatedproteinkinase2 (SnPK2)活性,與ABA產(chǎn)生拮抗作用,進(jìn)而促進(jìn)氣孔開(kāi)放[63],同時(shí)Marchadier等[64]通過(guò)對(duì)擬南芥外源施加6-BA,發(fā)現(xiàn)降低了氣孔細(xì)胞對(duì)于ABA的敏感程度,延緩氣孔閉合,提高蒸騰作用。研究表明,植物蒸騰作用產(chǎn)生的向上作用力,影響著根部對(duì)可溶性污染物的吸收程度,且蒸騰強(qiáng)度與植物吸收呈正相關(guān)[65—66],這意味著CTK能夠通過(guò)正調(diào)節(jié)植物蒸騰作用,促進(jìn)植物對(duì)于重金屬的吸收。然而,Arnaud等[67]對(duì)擬南芥野生型和突變體AHK3外源施加0.01—10μmol/L的t-Z,發(fā)現(xiàn)野生型隨著濃度的上升,孔徑逐漸減小,而AHK3缺失突變體孔徑?jīng)]有顯著變化,這表明外源t-Z通過(guò)與AHK3作用誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,抑制了蒸騰作用。因此,內(nèi)源CTK調(diào)控植物氣孔細(xì)胞分裂,提高氣孔密度,同時(shí)促進(jìn)氣孔開(kāi)放,增強(qiáng)了蒸騰作用,促進(jìn)了植物對(duì)于重金屬的吸收。然而,外源CTK的應(yīng)用所產(chǎn)生的作用,則與種類、濃度、植物特性等有較大關(guān)系[68]。同時(shí),目前針對(duì)CTK與蒸騰作用以及植物修復(fù)之間的相關(guān)性研究還較少,彼此間的相互影響與關(guān)聯(lián)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

2.4 參與解毒過(guò)程,降低重金屬毒性,調(diào)控重金屬體內(nèi)轉(zhuǎn)化

金屬離子進(jìn)入植物體內(nèi),會(huì)改變植物細(xì)胞現(xiàn)有的動(dòng)力學(xué)和氧化還原系統(tǒng),并對(duì)植物細(xì)胞膜、葉綠體、細(xì)胞核等產(chǎn)生毒性和損傷[69],而CTK信號(hào)會(huì)被激活并且參與植物體內(nèi)自身解毒過(guò)程,植物自身會(huì)釋放谷胱甘肽 (glutathione,GSH)、植物螯合素 (phytochelatins,PCs)、半胱氨酸 (cysteine,Cys)等非蛋白巰基,與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),將毒性更低的絡(luò)合物儲(chǔ)存在液泡中,降低重金屬離子的遷移[70]。Mohan等[52]發(fā)現(xiàn),在As脅迫下,通過(guò)對(duì)比研究CKX1基因突變體和野生型擬南芥體內(nèi)PCs合成基因表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)突變體內(nèi)部CTK含量下降,同時(shí)phytochelatinsynthase1 (PCS1)、glutathionesynthetase2 (GSH2)、γ-glutamylcysteinesynthetase(γ-ECS)等PCs合成基因的表達(dá)下降。Singh等[71]在Cd脅迫下對(duì)茄子 (SolanummelongenaL.)幼苗噴施10μM的KT,發(fā)現(xiàn)KT處理組與對(duì)照相比,體內(nèi)非蛋白巰基含量提高了26%,這說(shuō)明外源施加CTK能促進(jìn)體內(nèi)非蛋白硫醇的合成。Cassina等[72]在鎳 (Ni)脅迫下,通過(guò)對(duì)超富集植物庭薺 (Alyssummurale)進(jìn)行葉片和根部施加CTK,測(cè)定發(fā)現(xiàn)CTK并未使體內(nèi)Ni積累量及硫醇濃度發(fā)生顯著增加。這意味著CTK調(diào)控植物體內(nèi)非蛋白巰基基因表達(dá),調(diào)控解毒物質(zhì)合成,參與植物體內(nèi)重金屬的解毒機(jī)制，但作用效果的強(qiáng)弱與濃度有一定關(guān)系[73]。

植物體內(nèi)金屬硫蛋白是富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白,維持金屬穩(wěn)態(tài)和應(yīng)激反應(yīng),也是清除植物體內(nèi)活性氧自由基的重要物質(zhì),在植物遭受重金屬脅迫時(shí)可減輕毒性[74]。Yuan等[75]通過(guò)外源施加6-BA、t-Z和KT影響了水稻根部初期發(fā)育時(shí)金屬硫蛋白metallothionein2b(OsMT2b)基因的表達(dá)；Thomas等[47]在Cu脅迫下以IPT轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因煙草為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)比分析了兩者體內(nèi)金屬硫蛋白metallothionein-likegene2 (MT-L2)基因表達(dá)水平,發(fā)現(xiàn)對(duì)照組煙草體內(nèi)MT-L2 mRNAs轉(zhuǎn)錄水平顯著下降,而實(shí)驗(yàn)組中由于IPT的過(guò)表達(dá)促進(jìn)了CTK生物合成,在轉(zhuǎn)基因煙草體內(nèi)檢測(cè)到MT-L2轉(zhuǎn)錄水平上升,同時(shí)在成熟葉片中Cu積累量增長(zhǎng)了8倍。由此可見(jiàn),內(nèi)源CTK調(diào)控體內(nèi)硫蛋白基因表達(dá),而外源CTK施用則會(huì)影響體內(nèi)金屬硫蛋白含量,參與重金屬解毒過(guò)程,提高植物對(duì)于重金屬的積累。目前,有關(guān)CTK與多種金屬硫蛋白家族相關(guān)基因如：AsMT、PoMT、HcMT、SpMT2等的作用機(jī)制研究還不夠充分深入[76],仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 總結(jié)與展望

論文綜述了植物內(nèi)源激素CTK在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育及強(qiáng)化重金屬污染土壤植物修復(fù)中的作用,明確了在植物修復(fù)中外源CTK能夠有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)光合作用、促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)、強(qiáng)化抗性系統(tǒng)等 (圖1)。總體而言,低濃度CTK的應(yīng)用能促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育并強(qiáng)化植物修復(fù)效果,而高濃度CTK會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利的影響。CTK作為植物外源激素已在農(nóng)作物生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用,它可顯著提高農(nóng)作物抗鹽、抗旱等抗脅迫能力,且人工合成CTK具有價(jià)格低廉、種類廣泛、應(yīng)用便捷等特點(diǎn),因此在重金屬污染土壤植物修復(fù)中具有良好的應(yīng)用前景。目前,CTK在植物修復(fù)中的應(yīng)用還存在不足之處,將來(lái)可以從以下方面開(kāi)展深入研究：

圖1 細(xì)胞分裂素在重金屬污染土壤植物修復(fù)過(guò)程中的作用機(jī)制Fig.1 The mechanism of cytokinin in the process of heavy metal phytoremediation

(1)完善CTK對(duì)重金屬污染土壤植物修復(fù)的作用機(jī)制。目前多數(shù)研究側(cè)重于CTK對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程的調(diào)控作用,忽略了CTK在植物修復(fù)過(guò)程中作用機(jī)理的研究。在植物修復(fù)中,植物揮發(fā)機(jī)理是通過(guò)將汞、砷、硒等重金屬吸收至體內(nèi)再經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)化釋放到大氣中,內(nèi)源CTK對(duì)體內(nèi)金屬離子轉(zhuǎn)化的調(diào)控機(jī)制及外源CTK的應(yīng)用是否會(huì)影響植物揮發(fā)的作用過(guò)程,目前都不得而知；在植物根際降解機(jī)制中,內(nèi)源CTK對(duì)根系分泌物檸檬酸、蘋果酸、草酸等產(chǎn)生是否具有調(diào)控作用,外源CTK的施加是否會(huì)影響植物根系對(duì)重金屬的降解效果及相關(guān)的作用機(jī)制,目前都還缺乏確切的解釋。因此,應(yīng)加強(qiáng)CTK對(duì)植物修復(fù)機(jī)理影響作用的研究,為CTK在重金屬污染土壤植物修復(fù)中的應(yīng)用提供更為完整的理論依據(jù)。

(2)重點(diǎn)關(guān)注CTK對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、酶活、微生物群落等的影響作用,總體把控CTK對(duì)污染土壤植物修復(fù)系統(tǒng)產(chǎn)生的效應(yīng)。土壤中有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀含量、pH等決定著植物營(yíng)養(yǎng)元素的供給情況；土壤酶活性則是反映土壤質(zhì)量和肥力的重要生物指標(biāo)；而植物根系與土壤微生物構(gòu)成的聯(lián)合修復(fù)體系影響著植物對(duì)重金屬的吸收積累。但目前的研究重點(diǎn)仍是CTK對(duì)植物地上部產(chǎn)生的影響作用,忽略了CTK對(duì)于土壤根系及微生物的研究。因此,應(yīng)深入研究CTK對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制,探索CTK對(duì)于植物-土壤聯(lián)合系統(tǒng)的作用。

(3)拓展CTK聯(lián)合超級(jí)累植物在實(shí)際修復(fù)工程中的應(yīng)用,明確CTK對(duì)不同植物修復(fù)的強(qiáng)化效果。一方面,工程項(xiàng)目中實(shí)施條件復(fù)雜,難以控制,這將導(dǎo)致CTK在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的降解速度、轉(zhuǎn)化程度、強(qiáng)化效果的等均有改變。另一方面,采用超級(jí)累植物作為蓄積體進(jìn)行修復(fù)應(yīng)用較為廣泛,但目前對(duì)超級(jí)累植物聯(lián)合CTK進(jìn)行修復(fù)的研究較少,且不同植物適用的CTK互不相同。因此,應(yīng)將CTK聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中,根據(jù)應(yīng)用效果不斷完善適應(yīng)植物修復(fù)的外源CTK種類、施加濃度以及施加方式等因子。

(4)明確重金屬脅迫下外源CTK的應(yīng)用對(duì)內(nèi)源激素信號(hào)系統(tǒng)的作用機(jī)制。內(nèi)源激素對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育具有不可替代的作用,彼此間可通過(guò)代謝轉(zhuǎn)化、協(xié)同拮抗、彼此調(diào)控等作用調(diào)節(jié)激素合成及植物生理活動(dòng),在誘導(dǎo)植物對(duì)生物及非生物脅迫的耐受性中發(fā)揮著重要作用。因此,明確重金屬脅迫下CTK與各激素間的因子響應(yīng)、基因轉(zhuǎn)錄、信號(hào)傳遞等過(guò)程,對(duì)深層次掌握CTK在植物修復(fù)中的作用有著重要意義。