植物響應鈾脅迫的防御機制研究進展

喬新燕,曹少飛,劉強強,王欣妮,原 寒

(中國輻射防護研究院 中核核環(huán)境模擬與評價技術重點實驗室,山西 太原 030006)

在鈾礦采冶和鈾資源利用過程中,放射性核素(如鈾、釷和鐳)和一些相關重金屬(如鉛、砷、汞、鎘)會釋放到環(huán)境中,導致該區(qū)域土壤和水受到放射性和重金屬污染[1-3]。鈾具有放射性,其半衰期長,是一種典型的工業(yè)污染物[4-5]。土壤和水中的鈾可通過食物鏈進入人體,在組織中被快速吸收和積累;鈾在組織和細胞中可以釋放α射線,過多的鈾積累會對人體組織造成不可逆轉的傷害[6-7]。因此急需治理土壤和水中的鈾。

植物修復是利用植物提取和固定功能降低土壤和水介質中的鈾濃度,具有成本低、環(huán)境友好、操作簡單等特點,已成為熱門研究領域之一[8][9]58[10]43。但鈾作為一種植物非必需元素,易附著、累積在植物體內,當濃度超過閾值時,會抑制植物生長,甚至導致植物死亡[11]。植物已進化出一系列耐受鈾脅迫的策略,可通過單獨或聯(lián)合作用減輕鈾對植物的毒害癥狀[12]129[13]3520。對于鈾耐受機制的研究有助于闡釋植物對鈾的吸收和轉運機制,也有助于將植物修復應用于生產,實現更高的經濟增長、更好的生態(tài)效益。

1 植物響應鈾脅迫的功能區(qū)域化防御機制

1.1 細胞壁防御

用0～200 mg/L的UO2(NO3)2·6H2O溶液處理少根紫萍(Spirodelapunctata(G. Meyer) C. H. Thompson)發(fā)現,在根細胞亞細胞成分中,鈾的積累量隨溶液鈾濃度的增加而增多,在處理組中鈾積累最多的是細胞壁,其次是細胞器,最少的是胞質;當用200 mg/L的UO2(NO3)2·6H2O溶液處理120 h后,少根紫萍的細胞壁、細胞器、胞質中鈾濃度比是8∶2∶1,但后期細胞壁中鈾濃度的增加比例明顯要小于細胞器和胞質中的鈾濃度增加比例[12]122。這說明積累在根細胞壁中的鈾超出了植物的耐受性,超出的鈾會進入細胞內部對其造成損傷。

用0、100、200、400、600、800、1 000 μmol/L的UO2(NO3)2·6H2O溶液處理菜豆(PhaseolusvulgarisL.)7 d發(fā)現,隨著溶液鈾濃度的增加,亞細胞成分中積累的鈾也增加,且主要積累在胞質和細胞壁中,僅有小部分鈾貯存在細胞器中;同時隨著溶液鈾濃度的增加,分配到胞質中鈾的比例逐漸減小,但細胞壁中鈾的積累占比呈上升趨勢,細胞器中鈾的占比始終低于5%[14]1351?？梢娂毎谧鳛榭光櫭{迫的第1道屏障,使鈾在細胞壁和液泡中區(qū)域化是植物細胞耐受鈾和緩解鈾對植物毒害的機制之一。

通過用不同鈾質量濃度(0.5、1.0和3.0 mg/L)的廢水對滿江紅-魚腥藻進行水培15 d,發(fā)現滿江紅-魚腥藻各組分中的鈾含量分布從高到低依次為細胞壁、可溶性組分、細胞器,其中:細胞壁中鈾占比高達87.9%～93.8%,可溶性組分中鈾占比為5.5%～9.6%,而細胞器中鈾占比僅為0.7%～2.5%[15]292。可見細胞壁固持是滿江紅-魚腥藻降低鈾脅迫的重要機制,而可溶性組分和細胞器中的鈾分布較少,這降低了鈾對滿江紅-魚腥藻細胞正常代謝的影響。推測可能是細胞壁中固有的植酸、有機酸等與鈾酰離子發(fā)生了界面反應,因此細胞壁通過阻止鈾進入植物細胞內進而提高對鈾的耐受性,也就是說細胞壁是積累鈾的靶點[16]。

1.2 液泡防御

抗鈾脅迫的另一道屏障是液泡,在一些植物細胞中液泡能占據90%的體積。將擬南芥(Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.)種子在1/2 MS培養(yǎng)基上萌發(fā)48 h且垂直生長9 d后,轉移到分別含0、2、50、500 μmol/L UO2(NO3)2的培養(yǎng)基生長5 d,利用納米二次粒子質譜技術(NanoSIMS)分析發(fā)現,經高濃度鈾(500 μmol/L)處理后,鈾會優(yōu)先積累在細胞壁中;利用透射電鏡(TEM)和能量色散X射線光譜儀(EDX)對植株根尖組織微區(qū)的元素成分分析表明,鈾進入根細胞后被隔離在液泡和細胞核中,且液泡中的鈾從可溶性轉為不溶性,減少了鈾在細胞內的流動[17]361-362。

以上研究表明,功能區(qū)域化可使鈾被限制于某一有限的區(qū)域,不能在胞質溶膠中進行自由循環(huán),阻止鈾從植物根部轉運到地上部分,進而提高植物對鈾的耐受性。

2 植物響應鈾脅迫的植物螯合防御機制

2.1 植物螯合肽防御

植物螯合肽(PCs)是主要的金屬螯合劑之一,其通式是(γ-Glu—Cys)n—X,n=2～11,X為不同的C端氨基酸,Cys中的巰基能與鈾或其他重金屬螯合形成復合物,由此減輕重金屬對植物的毒害癥狀[18][19]25432,其原因主要是PC—重金屬螯合物會在液泡中固定下來,功能區(qū)域化起到隔離作用,從而提高植物對重金屬的耐受性[20-22]。

PC由植物螯合肽合酶催化還原性谷胱甘肽(GSH)合成,GSH是植物形成PC—U復合物的前體[23]170。擬南芥種子萌發(fā)3 d、水培種植18 d后,在25 mmol/L的238U溶液中繼續(xù)生長3 d,發(fā)現其根中GSH含量明顯增加,說明擬南芥可能是通過形成PC—U螯合物將鈾固定下來,減少了細胞中游離的鈾,從而增強對鈾的耐受性[24]2130;田菁中U(Ⅵ)在脅迫條件下,接種從枝菌根,發(fā)現螯合肽合酶基因PCs3明顯增加,并可能通過形成PC—U螯合物來減輕鈾對植物的傷害[25]。

2.2 有機酸防御

在植物中形成有機酸—U復合物,也可提高植物對鈾的耐受性。通過X射線吸收精細結構譜和SEM(掃描電子顯微鏡),結合蒸騰作用和新陳代謝試驗,利用檸檬酸和乳酸作為添加劑,研究鈾在印度芥菜(Brassicajunceavar.foliosa)根中的物種組成和根細胞中的分配,結果表明添加有機酸后,從根中轉移到地上部分的鈾明顯增加。原因可能是:1)有機酸—U復合物減少了根中游離鈾酰離子的含量;2)鈾與有機酸形成復合物后,可通過質外體途徑將其從根中轉移到地上部分,進而提高植物對鈾的耐受性[26]。

2.3 小結

以上研究表明植物螯合作用是植物通過形成PC—U復合物或有機酸—U復合物,將鈾在液泡暫時儲存或排出細胞加載到地上部分,減少植物體內的游離鈾,從而緩減鈾對細胞器的破壞和對代謝調節(jié)的影響。

3 植物響應鈾脅迫的抗氧化防御機制

活性氧(ROS)在植物體內的產生和清除一般處于動態(tài)平衡狀態(tài),植物受到鈾脅迫時,體內會產生過量ROS,如過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2·-)、羥基自由基(·OH)和一氧化氮(NO)[27-29]。這些ROS會對植物造成氧化脅迫,植物為了應對氧化脅迫,自身演化出了抗氧化系統(tǒng),主要包括酶類和非酶類抗氧化系統(tǒng)。

3.1 酶類抗氧化系統(tǒng)

超氧化物歧化酶(SOD)是酶類抗氧化防御的第1道防線,在調節(jié)ROS平衡中起著重要的作用,植物會通過SOD催化過量超氧陰離子,并發(fā)生歧化反應生成氧和過氧化氫[30]。將在Hoagland營養(yǎng)液中馴化9 d的睡蓮幼苗分別移植到含有5、30、55 mg/L的UO2(CH3COO)2·2H2O溶液中生長21 d,睡蓮葉片中SOD的活性均明顯增加。這說明植物可通過增加抗氧化活性來應對鈾脅迫[10]46。

根據金屬輔基的不同,植物中的SOD通常被分為3類:Cu/Zn-SOD、Fe-SOD、Mn-SOD。每一類都有細胞核的1個小基因家族編碼,且亞細胞定位不同[31-32]。水培條件下用UO2(NO3)2溶液處理豌豆(PisumsativumL.)幼苗后,取地上部分樣品利用PAGE(聚丙烯酰胺凝膠電泳)染色方法分析后發(fā)現,當溶液中UO2(NO3)2濃度為25 μmol/L時,均能看到Cu/Zn-SOD、Fe-SOD、Mn-SOD的電泳條帶,且沒有明顯的變化;當溶液中UO2(NO3)2濃度為50 μmol/L時,只能看到Cu/Zn-SOD、Mn-SOD的電泳條帶。這說明低濃度鈾對SOD的活性沒有影響,而超出一定的閾值,鈾會使豌豆地上部分SOD的表達下調,抑制其活性[13]3517。

過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)會將H2O2進一步分解為H2O和O2。利用盆栽試驗模擬鈾污染土壤(鈾污染水平18 mg/kg)的研究表明,2周大的博落回(Macleayacordata(Willd.) R. Br.)幼苗葉片中的SOD、CAT、POD和APX的活性均顯著升高[9]64。將鬼針草(BidenspilosaL.)植株暴露在120 μmol/L的U(Ⅵ)溶液中,發(fā)現CAT和POD的活性均明顯增加[33]。通過盆栽控制性試驗研究了土壤不同濃度(0、25、50、100、200、400 mg/kg)鈾脅迫對反枝莧(AmaranthusretroflexusL.)生理生化指標的影響,結果顯示在中低濃度鈾脅迫下,SOD、POD和CAT被激活,保持高活性水平,有效抵御了鈾毒害;在高濃度鈾脅迫下,3種酶活性均降低,且SOD活性低于對照值,ROS量超過了酶系統(tǒng)的清除能力,致使膜系統(tǒng)遭到破壞,而細胞質膜的損壞使細胞中積累了更多的鈾[34]。

3.2 非酶類抗氧化防御系統(tǒng)

非酶類抗氧化防御體系主要包括一些抗氧化劑,比如GSH、非蛋白巰基(NPT)、半胱氨酸(Cys)等。

NPT和Cys富含巰基(-SH),該基團能夠與進入細胞的游離鈾酰離子配合形成無毒或低毒的化合物,并通過轉運蛋白將這些化合物轉運至胞外或儲存于液泡中,從而降低其對植物細胞的毒害程度。采用水培方式研究不同質量濃度(0、0.1、1、5、10、20 mg/L)鈾脅迫下香根草中NPT含量的變化,結果表明隨著鈾質量濃度增加,香根草植株內的NPT含量呈逐漸升高趨勢[36]。豌豆在用25、50 μmol/L UO2(NO3)2溶液處理5 d后,其根和地上部分中的Cys含量都明顯高于對照組[13]3516。這可能是由于低濃度鈾脅迫條件下抗氧化酶系統(tǒng)可清除ROS,高濃度鈾脅迫條件下抗氧化劑發(fā)揮主要作用。

4 植物響應鈾脅迫的鈾化學形態(tài)轉化防御機制

隨著水培溶液中鈾質量濃度由0.5 mg/L升高至3.0 mg/L,滿江紅-魚腥藻胞內生物毒性較大的乙醇提取態(tài)鈾和去離子水提取態(tài)鈾所占比例之和由60.3%降至56.4%,而毒性較小的醋酸提取態(tài)鈾等所占比例之和由39.7%升至43.6%[14]293。這說明鈾化學形態(tài)轉化有利于滿江紅-魚腥藻在鈾脅迫下的生長,這是其應對鈾脅迫的重要機制之一。

5 結語

對鈾耐受性較好的植物能夠通過功能區(qū)域化作用、螯合作用、抗氧化系統(tǒng)、鈾化學形態(tài)轉化機制,單獨或聯(lián)合將體內的游離鈾轉運到低代謝活性的器官、組織或細胞器中;但對于鈾在植物體內復雜的轉運系統(tǒng)、路徑、分子機制尚不清楚。