植物響應(yīng)Cd脅迫研究進(jìn)展

劉自然 甄珍 陳強(qiáng) 李玥瑩 王澤 逄洪波

（1. 沈陽(yáng)師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034；2. 沈陽(yáng)師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，沈陽(yáng) 110034）

近年來(lái)隨著工業(yè)發(fā)展，重金屬污染的土壤面積和水源總量顯著增加，尤其是鎘（Cd）污染，據(jù)我國(guó)2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，土壤中Cd點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，位于無(wú)機(jī)污染物之首。土壤中Cd的主要來(lái)源分為自然過(guò)程和人類活動(dòng)兩大類，其中自然過(guò)程包括火山噴發(fā)和土壤侵蝕等，人類活動(dòng)包括礦山開采和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等［1-2］。Cd因具有強(qiáng)流動(dòng)性和溶解性而容易被植物體吸收并危害植物的生長(zhǎng)發(fā)育，Cd脅迫超過(guò)一定濃度會(huì)使植物出現(xiàn)發(fā)芽率降低、幼苗鮮重下降、葉片枯萎、側(cè)根減少及莖稈縮短等毒害癥狀，細(xì)胞發(fā)生膜質(zhì)過(guò)氧化、光合功能下降及電解質(zhì)滲漏等，同時(shí)Cd還能通過(guò)食物鏈的傳遞對(duì)人體骨骼、肺部和腎臟造成危害，甚至威脅生命［1，3-4］。

在長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)Cd脅迫的過(guò)程中，植物已經(jīng)進(jìn)化出相應(yīng)的解毒機(jī)制，主要包括區(qū)域化隔離、螯合劑沉淀以及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白移位，但其解毒機(jī)制尚不完全清楚。近些年，轉(zhuǎn)基因技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等已經(jīng)被用于植物抗重金屬脅迫機(jī)制的研究中。如Chen等［5］利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究了擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）MAN3基因的功能，結(jié)果表明MAN3能夠通過(guò)谷胱甘肽依賴途徑調(diào)節(jié)植株Cd耐受性。Gao等［6］基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)對(duì)東南景天（Sedum alfredii Hance L.）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Cd脅迫條件下纖維素合成酶等參與細(xì)胞壁修飾的基因顯著上調(diào)。研究人員還就蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)重金屬超積累植物進(jìn)行了分類［7］。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，植物和Cd的相互作用機(jī)制已經(jīng)從生理生化水平上升至分子水平。本文總結(jié)了Cd與植物相互作用的規(guī)律，以期為培育Cd低積累作物和Cd超富集植物用以修復(fù)污染土壤提供理論依據(jù)。

1 Cd脅迫對(duì)植物生理生化指標(biāo)的影響

高濃度Cd脅迫不僅對(duì)植物的外部形態(tài)造成明顯損害，還會(huì)引起一系列生理和代謝物變化，如活性氧和丙二醛過(guò)量積累導(dǎo)致的膜質(zhì)過(guò)氧化，葉綠體結(jié)構(gòu)和功能被破壞導(dǎo)致光合作用被抑制，電解質(zhì)滲漏增加導(dǎo)致細(xì)胞理化性質(zhì)改變，同時(shí)，這些生理指標(biāo)也是衡量一個(gè)植物耐Cd性強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 Cd對(duì)活性氧（reactive oxygen species，ROS）與丙二醛（malondialdehyde，MDA）的影響

Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧代謝不平衡從而生產(chǎn)過(guò)量ROS，ROS是一類氧單電子還原產(chǎn)物，包括超氧陰離子（O2-）、過(guò)氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）和單線態(tài)氧（1O2）［8］。大量ROS匯集到細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜周圍，與質(zhì)膜上連接甘油和脂肪酸的酯鍵以及不飽和脂肪酸的側(cè)鏈發(fā)生抽氫及加氧等脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致質(zhì)膜通透性變大，并生成醛類羧基化合物MDA等［9］。研究表明MDA含量與Cd脅迫濃度的增加呈線性相關(guān)，證實(shí)MDA含量可作為衡量Cd脅迫的重要生理指標(biāo)之一［10-11］。

1.2 Cd對(duì)葉綠素含量及光合熒光參數(shù)的影響

葉綠體是高等植物及部分藻類所特有的光能轉(zhuǎn)換器，葉綠素含量（包括葉綠素總量、葉綠素a/b、葉綠素a和葉綠素b等）和光合參數(shù)（包括最大熒光/可變熒光（Fv/Fm）、光化學(xué)猝滅（photochemical quenching，PQ）和非光化學(xué)猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）等）的值能夠反應(yīng)光合作用的程度，是衡量植物耐Cd性強(qiáng)弱的生理指標(biāo)之一［12］。杉木（Taxodium distichum L.）在Cd脅迫初期通過(guò)增加光吸收提高光合作用，進(jìn)而保持強(qiáng)大的抗氧化系統(tǒng)來(lái)阻止氧化應(yīng)激，同時(shí)NPQ也會(huì)隨之增加［13］。已有研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cd脅迫濃度和時(shí)間的增加，葉綠素結(jié)構(gòu)被破壞、含量顯著降低，表明光合作用受到抑制［14-16］。此外，Cd對(duì)光合作用的影響還包括抑制捕光蛋白、光合系統(tǒng)II復(fù)合體蛋白以及Rubisco激酶蛋白的活性，從而限制了光能吸收并抑制光合 作用［17］。

1.3 Cd對(duì)相對(duì)電導(dǎo)率和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

細(xì)胞膜對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和生理代謝平衡起著重要作用。Cd脅迫引起細(xì)胞內(nèi)ROS和MDA過(guò)量積累，導(dǎo)致膜質(zhì)過(guò)氧化進(jìn)而使質(zhì)膜通透性增大、胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，因此相對(duì)電導(dǎo)率是細(xì)胞受Cd損壞程度的重要指標(biāo)之一［18］。研究表明高濃度Cd脅迫導(dǎo)致白菜（Brassica pekinensis L.）根細(xì)胞的相對(duì)電導(dǎo)率升高［19］。當(dāng)受到Cd脅迫時(shí)，植物細(xì)胞會(huì)通過(guò)合成并積累溶質(zhì)（包括可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等）來(lái)降低水勢(shì)及滲透壓以保證水分的正常供應(yīng)［20-22］。

2 Cd脅迫對(duì)植物細(xì)胞在分子水平的傷害

2.1 Cd對(duì)細(xì)胞DNA的損傷

植物受Cd脅迫后，細(xì)胞核和核仁發(fā)生變形甚至分解，導(dǎo)致染色體畸變并影響DNA復(fù)制。如大蒜（Allium sativum L.）受Cd脅迫時(shí)，隨脅迫濃度和時(shí)間增加，根尖細(xì)胞的細(xì)胞核解體、核仁分解成顆粒且染色體發(fā)生粘連［23］。有研究表明，Cd對(duì)DNA的損傷體現(xiàn)在DNA鏈間發(fā)生膠聯(lián)、DNA構(gòu)象發(fā)生改變以及雙鏈發(fā)生斷裂。葛才林等［24］發(fā)現(xiàn)小麥（Triticum aestivum L.）和 水 稻（Oryza sativa L.）葉 片中的DNA膠聯(lián)程度隨著Cd濃度的增大持續(xù)加重。 張旭紅等［25］發(fā)現(xiàn)不同濃度Cd脅迫對(duì)蠶豆（Vicia faba L.）DNA的損傷程度不同，隨著Cd濃度的增加，DNA損傷程度加重。Cd對(duì)DNA的脅迫是其對(duì)DNA損傷與修復(fù)共同作用的結(jié)果，這種平衡一旦被嚴(yán)重破壞則會(huì)導(dǎo)致基因突變［26］。此外，Cd脅迫會(huì)降低DNA多態(tài)性［27］。

2.2 Cd對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響

轉(zhuǎn)錄過(guò)程是指以DNA為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，在RNA聚合酶的催化作用下合成、加工并修飾成為成熟mRNA的過(guò)程。此過(guò)程中，Cd對(duì)植物轉(zhuǎn)錄過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在與Cd脅迫相關(guān)的mRNA表達(dá)量發(fā)生變化，如Gao等［6］對(duì)Cd超積累植物東南景天轉(zhuǎn)錄組的研究結(jié)果顯示，Cd脅迫導(dǎo)致110個(gè)基因的表達(dá)量上調(diào)，123個(gè)基因的表達(dá)量顯著下調(diào)，并且這些基因大部分與細(xì)胞壁修飾、重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和再活化相關(guān)。此外，Cd處理的濃度和時(shí)間也是影響轉(zhuǎn)錄組變化的重要因素之一。曹繼敏等［28］對(duì)旱柳（Salix babylonica L.）在Cd脅迫不同時(shí)間、不同濃度的樣本進(jìn)行RNA-seq分析，結(jié)果顯示相同濃度不同時(shí)間的差異表達(dá)基因數(shù)量（DEGs）和相同時(shí)間不同濃度脅迫下DEGs均不相同。其中與Cd脅迫密切相關(guān)的基因主要是與編碼金屬硫蛋白、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、油菜素內(nèi)酯合成通路的3，6-脫氧油菜素淄酮酶（ROT3）以及黃酮類化合物合成通路的黃酮醇合成酶（FLS）和黃烷酮-3-羥化酶（F3H）有關(guān)。除此之外，不同植物對(duì)Cd脅迫的敏感性也不盡相同。Xu等［29］對(duì)Cd脅迫下龍葵（Solanum nigrum L.）和水茄（Solanum torvum L.）的轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示，編碼ZIP和ABC等金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、過(guò)氧化酶等抗氧化相關(guān)基因以及氨基酸生物合成代謝相關(guān)基因在龍葵中具有更高的表達(dá)量。此外，植物對(duì)Cd脅迫的抗性響應(yīng)機(jī)制不僅取決于植物種類，還與植物器官類型密切相關(guān)。何其浩等［30］通過(guò)RNA-seq研究欒樹（Koelreuteria paniculata L.）經(jīng)不同濃度Cd脅迫后地上部與根部基因表達(dá)的變化情況，結(jié)果顯示，根部差異基因主要富集在核糖核蛋白復(fù)合物和大分子復(fù)合物，而地上部差異基因主要富集在膜內(nèi)組分和膜結(jié)構(gòu)部分。綜上所述，植物在轉(zhuǎn)錄過(guò)程水平受Cd脅迫的影響與其脅迫的濃度和時(shí)間、植物種類及器官類型有關(guān)。

2.3 Cd對(duì)翻譯水平的影響

Cd脅迫通過(guò)影響核糖體來(lái)調(diào)控翻譯水平，進(jìn)而影響蛋白合成。研究人員利用透射電鏡觀察Cd脅迫下石龍尾（Limnophila sessiliflora L.）葉片細(xì)胞，結(jié)果表明隨脅迫濃度的增加，由于核糖體數(shù)目減少和細(xì)胞器破壞，蛋白質(zhì)合成受到影響甚至造成細(xì)胞死亡［31］。核糖體由rRNA和蛋白質(zhì)組成，rRNA數(shù)量反映了核糖體產(chǎn)生率。Sormani等［32］發(fā)現(xiàn)Cd脅迫48 h后，擬南芥rRNA數(shù)量發(fā)生了微小的變化，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白S6和L13豐富度降低，核糖體合成蛋白質(zhì)速率也出現(xiàn)下降。

2.4 Cd對(duì)蛋白質(zhì)的影響

Cd可明顯改變植物體內(nèi)蛋白質(zhì)水平，且蛋白質(zhì)含量變化與Cd脅迫濃度密切相關(guān)，如低濃度Cd脅迫使煙草（Nicotiana tabacum L.）花和葉中蛋白質(zhì)含量下降，隨Cd濃度的增加，蛋白質(zhì)含量反而上升［33］。李榮春［34］對(duì)煙葉在Cd脅迫下的研究顯示，低濃度Cd對(duì)硝酸還原酶和可溶性蛋白的含量有很強(qiáng)的抑制作用。肖清鐵等［35］對(duì)Cd脅迫下水稻葉片的蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果顯示，檢測(cè)到差異表達(dá)蛋白質(zhì)主要與光合作用及細(xì)胞防御代謝相關(guān)。醇溶蛋白是小麥中最穩(wěn)定的蛋白質(zhì)之一，其含量的變化能夠真實(shí)地反映重金屬對(duì)小麥蛋白質(zhì)基因表達(dá)的影響，研究表明，Cd2+脅迫下小麥的醇溶蛋白含量發(fā)生了顯著變化［36］。

絕大多數(shù)酶屬于蛋白質(zhì)，Cd脅迫可導(dǎo)致蛋白酶的激活、變性及失活。Chen等［37］對(duì)陸地棉（Goss- ypium hirsutum L.）進(jìn)行5 mmol/L Cd2+處理后，發(fā)現(xiàn)與抗氧化相關(guān)的還原酶和轉(zhuǎn)化酶以及與類黃酮生物合成和苯丙氨酸生物合成相關(guān)的酶表達(dá)量升高，證實(shí)植物以提高抗氧化系統(tǒng)、修復(fù)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的活性來(lái)降低Cd毒性。而Cd2+達(dá)到10 mmol/L時(shí)，這些酶的表達(dá)量顯著降低表明植物受到了不可逆損傷。Cd不僅能夠影響蛋白酶含量及活性，還可以與蛋白酶結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)其活性。三四脯氨酸（tristetraprolin，TTP）屬于一種鋅指蛋白，能夠與RNA相互作用調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，研究表明Cd能夠與其Cys3His結(jié)構(gòu)域結(jié)合并降低其與RNA相互識(shí)別的概率［38］。

3 植物對(duì)Cd生理及分子的耐性機(jī)制

高濃度Cd脅迫對(duì)植物外部形態(tài)、生理代謝和細(xì)胞結(jié)構(gòu)均造成一定危害，植物在長(zhǎng)期對(duì)環(huán)境的適應(yīng)中，也進(jìn)化出相應(yīng)的解毒機(jī)制（圖1），主要包括5個(gè)方面：（1）根際分泌物對(duì)土壤的酸化作用及對(duì)Cd的結(jié)合作用；（2）細(xì)胞壁和液泡的區(qū)域化作用；（3）植物螯合肽和金屬硫蛋白對(duì)胞質(zhì)中游離Cd的螯合作用；（4）抗氧化系統(tǒng)對(duì)Cd引起的自由基清除作用； （5）重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)Cd及其螯合物的轉(zhuǎn)運(yùn)作用。

圖1 植物響應(yīng)Cd脅迫的生理及分子機(jī)制Fig.1 Physiological and molecular mechanisms of plant response to Cd stress

3.1 根際分泌物

植物作為固著生長(zhǎng)的生物，只能通過(guò)根部從土壤中吸收養(yǎng)分且無(wú)法避免吸收Cd，因此進(jìn)化出相應(yīng)的Cd排斥機(jī)制。植物阻止Cd進(jìn)入原生質(zhì)的第一道防線是主動(dòng)釋放或被動(dòng)滲透到土壤的根際分泌物，根際分泌物主要包括高分子的植物螯合劑和金屬硫蛋白以及低分子的H+、HCO3-、蘋果酸和檸檬酸等［39］。根際分泌物能夠螯合土壤中游離Cd并酸化根際土壤，在酸性環(huán)境中Cd2+與H+的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)加劇，進(jìn)而減少根細(xì)胞Cd2+吸收量［40］。秋茄在Cd脅迫條件下，根細(xì)胞分泌的低分子量有機(jī)酸能夠降低根際土壤酸度，使土壤中Cd由游離態(tài)轉(zhuǎn)變成碳酸鹽結(jié)合態(tài)，從而抑制Cd進(jìn)入細(xì)胞［41］。Lu等［41］對(duì)秋茄的研究也得到了相似結(jié)論，且表明根際分泌物能夠使根際土壤降低0.2-0.5個(gè)酸堿度單位。

3.2 區(qū)域化作用

區(qū)域化作用是通過(guò)將重金屬運(yùn)輸?shù)揭恍┑痛x活性的亞細(xì)胞區(qū)域或器官中，是植物應(yīng)對(duì)重金屬脅迫最有效的解毒途徑之一。細(xì)胞壁區(qū)域化作用是植物阻止Cd進(jìn)入原生質(zhì)體的第二道防線，細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)物質(zhì)纖維素、果膠和木質(zhì)素中含有豐富的羥基和羧基等活潑基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠與Cd結(jié)合，從而減少進(jìn)入原生質(zhì)體的Cd含量。并且Cd與果膠結(jié)合會(huì)使果膠膠聯(lián)，阻止細(xì)胞壁擴(kuò)張減少Cd吸收［42］。研究表明，細(xì)胞壁區(qū)域化作用在植物應(yīng)對(duì)Cd脅迫中起著重要的作用，如禾稈蹄蓋蕨（Athyrium yokoscense L）的根部細(xì)胞壁中Cd積累含量高達(dá)整個(gè)細(xì)胞總量的79%-90%［43］。Wang等［44］對(duì)大豆的研究表明，低Cd積累品種HX3 50.2%的Cd集中在果膠中；高Cd積累品種BX10 50.6%的Cd主要集中在纖維素中，表明Cd耐受程度不同的植物阻止其進(jìn)入原生質(zhì)體的機(jī)制存在差異。

液泡區(qū)域化作用在高等植物的重金屬解毒過(guò)程中也扮演著重要角色。植物細(xì)胞胞質(zhì)和液泡內(nèi)含有草酸、檸檬酸、蘋果酸和脯氨酸等小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)具有S、N、O等能夠結(jié)合胞質(zhì)中游離Cd的基團(tuán)，并通過(guò)液泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Cd及Cd螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡進(jìn)行暫時(shí)儲(chǔ)存，進(jìn)而降低胞質(zhì)中游離Cd的含量，減少其對(duì)生理代謝活動(dòng)和其他細(xì)胞器的傷害。Wójcik等［45］對(duì)甘蔗（Saccharum officinarum L.）的研究表明，甘蔗莖和葉中精氨酸和亮氨酸含量隨Cd脅迫濃度的升高而增加。

3.3 螯合作用

螯合作用是利用植物螯合肽（phytochelatins，PCs）和金屬硫蛋白（metallothioneins，MTs）等螯合劑與胞質(zhì)中游離Cd結(jié)合，從而緩解Cd對(duì)細(xì)胞器的破壞及代謝調(diào)節(jié)的影響［46］。PCs并非基因轉(zhuǎn)錄的直接產(chǎn)物，而是由甘氨酸、半胱氨酸和谷氨酸3種前體物質(zhì)在植物螯合肽合酶作用下生成的含巰基的小分子多肽［47］。Cd脅迫刺激植物螯合肽合酶合成PCs，PCs能夠與Cd結(jié)合成低分子螯合物，然后通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸進(jìn)液泡暫時(shí)儲(chǔ)存或排出細(xì)胞加載到地上部［48-49］。據(jù)報(bào)道，已經(jīng)在玉米（Zea mays L.）、菜豆（Phaseolus vulgaris L.）、番茄（Solanum lycopersicum L.）和小麥等植物中發(fā)現(xiàn)PCs。Howden和Goldsbrough等［50］從擬南芥中誘導(dǎo)并分離的cad1突變體，因缺乏PCs合成系統(tǒng)，植株表現(xiàn)為Cd敏感性增加。將PCs合成相關(guān)基因分離并轉(zhuǎn)入其他植物，能夠增加植物對(duì)Cd的耐性和積累量，如Martínez等［49］將TaPCS1轉(zhuǎn)入煙草中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株對(duì)Cd和Pb的耐受性是其野生型的3倍和6倍。

金屬硫蛋白（MTs）是由重金屬誘導(dǎo)產(chǎn)生的富含半胱氨酸殘基的金屬結(jié)合蛋白，半胱氨酸含有的大量硫基，能夠結(jié)合胞質(zhì)中游離Cd。MTs與PCs之間的區(qū)別在于，MTs是基因表達(dá)的直接產(chǎn)物且在植物的任何階段都進(jìn)行表達(dá)［51］。研究人員已經(jīng)在擬南芥、大豆和小麥等植物中發(fā)現(xiàn)并克隆了MTs基因，該基因轉(zhuǎn)入煙草能夠顯著提高植株Cd耐受性［52-53］。Du等［51］利用離子質(zhì)譜法對(duì)不同濃度Cd脅迫下玉米中的MTs含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)先高后低的趨勢(shì)，表明金屬硫蛋白在植物應(yīng)對(duì)Cd脅迫中扮演重要角色。

3.4 抗氧化系統(tǒng)

Cd通過(guò)質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞導(dǎo)致胞內(nèi)氧代謝不平衡，ROS含量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成細(xì)胞大量死亡［54］。為了應(yīng)對(duì)氧化脅迫，植物進(jìn)化出酶類和非酶類兩類抗氧化系統(tǒng)，其中酶類包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過(guò)氧 化氫酶（catalase from micrococcus lysodeiktic，CAT）、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）；非酶類則包括谷胱甘肽（glutathione，GSH）和抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）［55］。SOD的主要功能是將O2-歧化成O2和H2O2，利用CAT、POD和APX將H2O2進(jìn)一步降解成O2和H2O。根據(jù)金屬輔基的不同，SOD又被分成Mn-SOD、Fe-SOD和Cu/Zn-SOD，這3類SOD分別定位于線粒體及過(guò)氧化酶體、葉綠體和細(xì)胞質(zhì)［56］。CAT、POD和APX均能分解H2O2，但其反應(yīng)機(jī)理有所不同：CAT在反應(yīng)過(guò)程中不需要其他還原力輔助且具有較低的H2O2親和力，主要在高H2O2濃度時(shí)發(fā)揮作用；POD和APX在反應(yīng)過(guò)程中需要其他還原力輔助，但其具有高H2O2親和力，并且POD不僅可以分解H2O2，還可以氧化酚類、胺類和苯類氧化時(shí)所產(chǎn)生的毒性物質(zhì)，具有雙重解毒性［57］。除抗氧化酶外，植物細(xì)胞中還存在著由非酶抗氧化劑所組成的GSH-ASA抗氧化循環(huán)途徑。其中GR是該循環(huán)中關(guān)鍵酶之一，其功能是將氧化性谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSH）還原成還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH），該反應(yīng)為自由基的清除提供還原力。低濃度Cd脅迫時(shí)，植物主要利用抗氧化酶系統(tǒng)應(yīng)對(duì)過(guò)氧化脅迫，而當(dāng)植物體受到高濃度Cd脅迫時(shí)，則由非酶抗氧化劑所組成的GSH-ASA抗氧化循環(huán)途徑發(fā)揮主要作用。

在鎘脅迫條件下，植物會(huì)增加抗氧化系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)減輕過(guò)量ROS帶來(lái)的損傷。如陸地棉在高濃度鎘脅迫下會(huì)上調(diào)SOD、APX和GSH的表達(dá)量，保持高強(qiáng)度抗氧化活性來(lái)應(yīng)對(duì)鎘脅迫［37］。Kim等［58］將多重脅迫抗性基因MuSI轉(zhuǎn)入煙草后，轉(zhuǎn)基因植株的CAT活性比野生型高兩倍且對(duì)Cd的抗性更好，證明MuSI基因能夠增強(qiáng)CAT活性，并在煙草對(duì)抗Cd脅迫過(guò)程中起重要作用。

3.5 重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白

植物對(duì)重金屬Cd及其螯合物的轉(zhuǎn)運(yùn)在抗Cd脅迫中起著重要作用。由于植物細(xì)胞不具有Cd特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，所以Cd2+必須與其他必需二價(jià)金屬離子（如Fe2+/Ca2+/Mn2+）競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Cd進(jìn)入細(xì)胞后可能與草酸和脯氨酸等小分子物質(zhì)或PCs和MTs等螯合劑結(jié)合，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Cd及其螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中暫時(shí)儲(chǔ)存，或排出液泡由木質(zhì)部利用根壓和蒸騰作用經(jīng)導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)降厣喜窟M(jìn)行儲(chǔ)存。明確植物中Cd及其螯合物相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的性質(zhì)及分類，對(duì)揭示植物抗Cd脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及篩選Cd低積累作物、進(jìn)而利用Cd超富集植物修復(fù)污染土壤等具有重要作用。目前已鑒定的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（圖2）主要包括Zn/Fe轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（zinc and iron regulated transporter proteins，ZIP）、天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白（natural resistance-associated macrophage proteins，NRAMP）、重金屬ATP酶（heavy metal ATPase，HMA）、金屬耐受蛋白（metal tolerance protein，MTP）、陽(yáng)離子交換體（cation exchanger，CAX）、ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ATP-binding cassette transporter，ABCC）、黃色條紋轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（yellow stripe-like transporter，YSL）等。

3.5.1 Zn/Fe轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ZIP） ZIP家族成員眾多，一般都具有8個(gè)跨膜區(qū)和相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且都具有與金屬離子結(jié)合的保守結(jié)構(gòu)域，從而起到運(yùn)輸金屬離子的作用（圖2-A）［59］。不僅能夠運(yùn)輸Fe2+和Zn2+等必需金屬離子，也可以運(yùn)輸Cd2+［60］，參與Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的主要包括ZNT1、IRT1、IRT2、ZIP1、ZIP2、ZIP3、ZIP4、ZIP5、ZIP6、ZIP8、ZIP9等成員。天藍(lán)遏藍(lán)菜（Noccaea caerulescens L.）中的NcZNT1基因是最早被發(fā)現(xiàn)的ZIP家族成員，其定位于質(zhì)膜，研究表明過(guò)表達(dá)NcZNT1的擬南芥植株對(duì)Zn和Cd的耐受性及積累量增強(qiáng)［61］。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IRT1和IRT2在植物體內(nèi)主要負(fù)責(zé)Fe的轉(zhuǎn)運(yùn)且同時(shí)具有Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力，水稻中OsIRT1和OsIRT2在缺Fe條件下表達(dá)量上升，增加了Cd的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)，并且研究人員發(fā)現(xiàn)外源噴施赤霉素可以提高擬南芥Cd積累量，其是通過(guò)減少Cd依賴的NO積累及降低AtIRT1的表達(dá)水平來(lái)實(shí)現(xiàn)的［62-63］。AtZIP1、BctZIP2及SaZIP3的酵母突變體均表現(xiàn)出Cd高度敏感性，且小白菜（Brassica pekinensis L.）和東南景天在Cd脅迫前后的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示，BpZIP2和SaZIP3表達(dá)量顯著提高［64-66］。ZIP4和ZIP6成員具有較強(qiáng)的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力，擬南芥AtZIP4在Cd脅迫條件下的表達(dá)量增加了193倍，ZIP6在酸性條件下轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力也有提升［67-68］。研究人員發(fā)現(xiàn)ZIP5、ZIP8和ZIP9均受Cd脅迫的誘導(dǎo)，異源酵母表達(dá)和表觀遺傳沉默技術(shù)證明了他們能夠增加細(xì)胞內(nèi)的Cd積累［69-70］。

3.5.2 天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白（Nramp） Nramp是一類具有膜整合蛋白特性的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，其成員最早發(fā)現(xiàn)于小鼠體內(nèi)，通常含有1個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)域和10-12個(gè)跨膜區(qū)，主要負(fù)責(zé)Fe2+、Mn2+運(yùn)輸，但其過(guò)表達(dá)也提高了Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)速率（圖2-B）［71］。Bozzi等［72］指出與金屬結(jié)合的結(jié)構(gòu)域上含有的甲硫氨酸殘基是決定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與Cd結(jié)合的關(guān)鍵。Nramp家族參與Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的成員包 括Nramp1、Nramp2、Nramp3、Nramp4、Nramp5及Nramp6。研究人員利用RNA-seq技術(shù)篩選出黃瓜（Cucumis sativus L.）中2個(gè)與Cd脅迫相關(guān)的基因Nramp1/4，其亞細(xì)胞定位于質(zhì)膜，轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)證明這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力［73］。黑麥草（Lolium multiflorum L.）在Cd脅迫條件下，根莖葉中Nramp2的表達(dá)量顯著增高［71］；擬南芥中AtNramp3的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致Cd的大量積累，敲除后轉(zhuǎn)基因植株對(duì)Cd的耐受性增強(qiáng)［74-75］。Cailliatte等［2］對(duì)水稻OsNramp5基因的敲除實(shí)驗(yàn)以及Sasaki等［76］對(duì)擬南芥AtNramp6的過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)也得到了相似的結(jié)論，即Nramp5及Nramp6具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力。

3.5.3 重金屬ATP酶（HMA） 定位于質(zhì)膜和液泡膜上的P型ATP酶包括5個(gè)亞家族：P1B、P2A/P2B、P3A、P4和P5，其中P1B型也被稱為重金屬ATP酶（HMA），其廣泛存在于植物中（圖2-C）。HMA能夠利用ATP水解產(chǎn)生的能量，吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cu2+、Co2+和Zn2+等必需金屬離子，同時(shí)也可以轉(zhuǎn)運(yùn)Cd2+和Pb2+［77］。通常HMA含有6-8個(gè)跨膜區(qū)和3個(gè)結(jié) 構(gòu)域，分別為可溶性核苷酸結(jié)構(gòu)域、磷酸化結(jié)構(gòu)域和可溶性制動(dòng)器結(jié)構(gòu)域［78］。參與Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的HMA家族成員包括HMA1、HMA2、HMA3、HMA4和HMA5。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HMA1/2/3的亞細(xì)胞定位均位于液泡膜，Zhao等［79-80］的研究表明，SpHMA1在Cd超積累型東南景天中的表達(dá)量比非超積累生態(tài)型高200倍以上，且SpHMA1和OsHMA2過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了Cd敏感性和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)活性。Park和Ahn［81］發(fā)現(xiàn)擬南芥中AtHMA3的表達(dá)量與Cd的耐受性成正相關(guān)。AtHMA4定位于質(zhì)膜且集中在根部維管組織的導(dǎo)管細(xì)胞中，過(guò)表達(dá)AtMT2B和AtHMA4的擬南芥植株，其Cd和Zn的耐受性及積累量高于野生型，但在AtHMA4單轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中Cd積累量并不高，推測(cè)可能是由于雙轉(zhuǎn)化系統(tǒng)基因相互作用的結(jié)果［82］。目前，仍不能確定HMA5的亞細(xì)胞定位。甜芒（Miscanthus sacchariflorus L.）在受Cd脅迫時(shí)，MsHMA1、MsH- MA2和MsHMA5的表達(dá)量均上調(diào)且與qRT-PCR結(jié)果一致，同時(shí)植株的Cd積累量也顯著增加［83］。

3.5.4 金屬耐受蛋白（MTP） MTP通過(guò)吸收和排出胞質(zhì)溶膠中的金屬來(lái)維持植物細(xì)胞內(nèi)的金屬穩(wěn)態(tài)，其家族成員通常為二聚體且含有6個(gè)跨膜區(qū)，N端的信號(hào)肽序列位于第1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，C端的陽(yáng)離子結(jié)合結(jié)構(gòu)域位于第2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，第4、5跨膜結(jié)構(gòu)域是富含組氨酸的可變區(qū)，研究表明該可變區(qū)可能在金屬轉(zhuǎn)運(yùn)中扮演重要的角色（圖2-D）［84-85］。參與Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的MTP家族成員包括MTP1和MTP11。OsMTP1定位于液泡膜，研究表明水稻OsMTP1的表達(dá)受Cd脅迫的誘導(dǎo)，將OsMTP1異源表達(dá)于煙草能夠降低Cd脅迫誘導(dǎo)的毒性效應(yīng)，轉(zhuǎn)基因煙草比野生型植株表現(xiàn)出更強(qiáng)的Cd耐受性和積累能力［86］。MTP11定位于反式高爾基體，OsMTP11主要負(fù)責(zé)將Mn2+由胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)高爾基體，但其也具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力，從而賦予植物耐Cd的特性，如酵母SpMTP11突變體在Cd脅迫下生長(zhǎng)不受限［87-88］。

3.5.5 陽(yáng)離子交換體（CAX） CAX家族成員是一類低親和性的陽(yáng)離子/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（cation/H+antiporter），其定位于液泡膜上，具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd2+、Mn2+、Ca2+并調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)陽(yáng)離子濃度的功能（圖2-E）。CAX家族成員一般具有11個(gè)跨膜區(qū)，且在物種間表現(xiàn)出功能多樣性［89］。參與Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的CAX家族包括CAX1、CAX2和CAX4。CAX一般定位在液泡膜上，其利用H+梯度將Cd2+協(xié)同運(yùn)輸進(jìn)液泡，以防胞質(zhì)中高濃度Cd損傷細(xì)胞器［90］。最初在釀酒酵母中被鑒定為Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的是CAX1和CAX2［91］。研究表明AtCAX1突變體的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)和積累能力增強(qiáng)，且過(guò)表達(dá)AtCAX1基因的矮牽牛（petunia enhances L.）在Cd處理下，其長(zhǎng)勢(shì)明顯比對(duì)照植株更旺盛［92］。CAX2對(duì)Cd有較高的親和力，其在酵母中表達(dá)抑制了由Cd和Mn引起的生長(zhǎng)缺陷，過(guò)表達(dá)CAX2的轉(zhuǎn)基因煙草，植株根部細(xì)胞能夠積累更多的Cd和Mn［93］。相對(duì)于CAX1，CAX2和CAX4具有更高的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力，Mei等［94］研究表明，AtCAX4擬南芥轉(zhuǎn)基因植株Ca2+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的含量增加了29%，而AtCAX4缺失突變系的生長(zhǎng)受到了Cd和Mn的抑制。

3.5.6 ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC） ABC家族成員眾多且大小各異，氨基酸殘基數(shù)從250到1 800不等，其成員按結(jié)構(gòu)主要分為全轉(zhuǎn)運(yùn)子和半轉(zhuǎn)運(yùn)子兩種類型，全轉(zhuǎn)運(yùn)子的核心結(jié)構(gòu)包括兩套核酸結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域，而半轉(zhuǎn)運(yùn)子只含一套（圖2-F）［95］。ABC家族不僅參與金屬離子及其螯合物的運(yùn)輸，還能夠運(yùn)輸激素、次生代謝物和脂質(zhì)等物質(zhì)［96］。根據(jù)成員大小和結(jié)構(gòu)域等最終將ABC家族分成12個(gè)亞家族，其中參與Cd及其螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)的亞家族包括：MRP（muitidrug resislance-associated protein）、PDR（pleiotropic drug resistance）和ATM（transporter of the mitochond）3個(gè)亞家族。MRP家族成員的亞細(xì)胞定位是液泡膜，其參與Cd螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)成員包括YCF1（yeast cadmium factor）、ABCC1、ABCC2、ABCC3和ABCC6。Bhuiyan等［97］將ScYCF1轉(zhuǎn) 入芥菜（Brassica juncea L.）后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因芥菜幼苗比野生型耐Cd性增加了1.3-1.6倍，同時(shí)Cd積累量也升高了1.5-2倍。擬南芥AtABCC1單突變體和AtABCC1、AtABCC2雙突變體均表現(xiàn)出低Cd耐受性，而過(guò)表達(dá)該基因能夠顯著增強(qiáng)Cd耐受性和積累量。Brunetti等［98］證明了AtABCC3具有將Cd轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)液泡的功能，并且AtABCC3補(bǔ)充了AtABCC1和AtABCC2雙突變體的Cd敏感性，表明三者在功能上具有相似性。Gaillard等［99］研究表明在Cd脅迫處理下，AtABCC6的表達(dá)明顯上調(diào)，且其突變體植株的生長(zhǎng)比野生型更容易受到Cd脅迫。除了MRP亞家族外，PDR和ATM亞家族也具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力，但與MRP亞家族不同，PDR8定位于質(zhì)膜上且負(fù)責(zé)將Cd排出細(xì)胞，Sheng等［100］研究表明，WRKY13位于AtPDR8的上游并正向調(diào)控其表達(dá)，過(guò)度表達(dá)WRKY13植株的Cd積累量減少。ATM3定位在葉綠體膜上，ATM3轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)將Cd螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)葉 綠體［101］。

3.5.7 黃色條紋轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（YSL） YSL蛋白家族能夠介導(dǎo)植物體內(nèi)金屬離子及其與煙草胺（nicotinamide，NA）形成的螯合物的跨膜運(yùn)輸和由根到地上部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，該家族成員一般具有15個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其中包含兩個(gè)可變區(qū)，參與Cd運(yùn)輸?shù)募易宄蓡T包括YSL1、YSL3、YSL6、YSL7（圖2-G）。ZmYSL1蛋白是最早被鑒定出的YSL家族成員，以往研究表明，YSL1具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd-NA螯合物的能力，但其轉(zhuǎn)運(yùn)速率較低；Schaaf等［102］對(duì)麥芒（Miscanthus sacchariflorus L.）的研究也得到了相同的結(jié)論，即YSL1具有轉(zhuǎn)運(yùn)Cd-NA螯合物的能力。YSL3受Cd、Fe及Cu的缺乏性誘導(dǎo)后，同樣能夠介導(dǎo)Cd和Cd-NA的轉(zhuǎn)運(yùn)及長(zhǎng)距離運(yùn)輸，將SnYSL3異源表達(dá)于酵母中發(fā)現(xiàn)Cd移位率顯著增加，龍葵轉(zhuǎn)基因植株也得到了相同的結(jié)果［103］。研究表明VcYSL6的亞細(xì)胞定位是葉綠體，Cd脅迫下藍(lán)莓（Vaccinium ssp L.）VcYSL6基因表達(dá)量顯著上調(diào)，VcYSL轉(zhuǎn)基因煙草植株在Cd脅迫下其葉片鎘含量增加了15.57%［104］。Zhang等［105］對(duì)油菜（Brassica campestris L.）的研究也表明，Cd脅迫下植株的YSL7表達(dá)量顯著增高。

圖2 7種常見(jiàn)的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structures of 7 common heavy metal transporters

4 展望

植物對(duì)Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及耐受性機(jī)制像一張巨大的網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容涉及植物學(xué)、植物生態(tài)學(xué)、植物生理學(xué)、土壤化學(xué)和分子生物學(xué)等多門學(xué)科以及分子、細(xì)胞器、細(xì)胞和個(gè)體等多個(gè)層次。本文介紹了重金屬Cd對(duì)植物生理代謝和分子層次的危害以及植物應(yīng)對(duì)Cd脅迫的抗性機(jī)制，通常情況下，植物利用體內(nèi)的一些機(jī)制避免胞質(zhì)中Cd的過(guò)量積累，這些機(jī)制主要包括：根際分泌物外排酸化根際土壤并結(jié)合Cd；細(xì)胞壁絡(luò)合Cd阻止其進(jìn)入原生質(zhì)體；利用胞質(zhì)溶膠中的螯合劑沉淀Cd以及通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Cd和Cd螯合物進(jìn)行區(qū)域化隔離。而當(dāng)植物體內(nèi)Cd積累過(guò)多時(shí)，植物則會(huì)啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)來(lái)清除ROS。不同植物對(duì)不同種金屬離子所采用的措施具有特異性，并沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)的機(jī)制能夠解釋植物對(duì)各種金屬離子的耐受性。

近年來(lái)，隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，Cd與植物相互作用的分子機(jī)制研究日益增多。植物響應(yīng)Cd脅迫的機(jī)制取得了一定的進(jìn)展，但由于植物對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)機(jī)制不僅與Cd脅迫的濃度和時(shí)間相關(guān)，還與植物種類、生長(zhǎng)階段及組織類型等密切相關(guān)，故該過(guò)程還存在較多問(wèn)題亟待解決。如：（1）超積累植物相較于其他植物具有更好的Cd耐受性，取決于超積累植物能夠利用轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將體內(nèi)游離Cd及其螯合物轉(zhuǎn)運(yùn)到低代謝活性的器官、組織或細(xì)胞器中，但對(duì)于Cd在植物體內(nèi)的復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)尚不清楚；（2）研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了許多與Cd脅迫相關(guān)的基因，但是大多數(shù)缺乏進(jìn)一步的功能驗(yàn)證研究；（3）植物與Cd相互作用的機(jī)制是由多條信號(hào)通路相互協(xié)調(diào)所組成的一個(gè)完整性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的具體組成元件和它們對(duì)提高植株耐Cd性的具體作用尚未完全明了，因此還需要鑒定出更多的耐Cd基因，特別是調(diào)控基因，以擴(kuò)展我們對(duì)耐Cd信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中調(diào)節(jié)因子的了解。因此，進(jìn)一步討論和總結(jié)Cd與植物相互作用的規(guī)律有著重要的意義。