植物根系分泌物響應鎘脅迫的研究進展

吳香， 李娟， 曹艷， 程艷榮， 閆旭宇，2*， 李玲，2*

（1.延安大學生命科學學院， 陜西 延安 716000； 2.延安大學陜西省紅棗重點實驗室， 陜西 延安， 716000）

土壤是重要的自然資源，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎，也是人類生產(chǎn)和生活的基本保障。工業(yè)革命以來，化學品的大量生產(chǎn)和使用、工業(yè)和城市廢水的不合理排放，以及礦物和能源物質的無節(jié)制開采將大量有毒有害物質釋放到環(huán)境中，成為土壤重金屬污染的主要來源[1]。2014 年發(fā)布的《全國土壤狀況調查公報》顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中耕地土壤點位超標率為19.4%，在污染物中重金屬鎘的點位超標率最高，為7.0%[2]，由此可見鎘污染對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的巨大影響。鎘在土壤中不僅難以消除，而且易被植物吸收，最終隨著食物鏈進入人體，嚴重危及人類健康[3]。因此，在控制重金屬污染的排放和輸入的同時，提高處理和修復受污染土壤的有效性也極為重要。

根系分泌物是植物生長過程中根系不同部位向生長介質中分泌或釋放的物質，其含量占凈光合產(chǎn)量的21%[4]。根系分泌物是根與生長介質之間進行物質循環(huán)、能量流動和信息交流的重要媒介，其種類繁多，分類方法也不盡相同。根據(jù)早期Albert[5]對植物根系分泌物的定義，可將根系分泌物分為大分子有機物、小分子酸、激素、黃酮，甾醇等?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)根系分泌物的種類達200 余多種，除根系脫落物和粘膠類物質外，主要有糖類、氨基酸、有機酸、酶和其他化合物（包括激素、黃酮、類黃酮和異類黃酮等）[6]。根系分泌物有多種功能[7]，包括緩解環(huán)境脅迫對植物的傷害作用[8?9]；促進根際有益微生物與根系的相互作用，抑制有害病菌對根系的侵害[10]；以及最早被發(fā)現(xiàn)的對周圍作物和微生物產(chǎn)生的化感作用[11]。

目前，國內外學者利用植物根系分泌物中某些能活化和固定重金屬的物質在植物修復方面進行了廣泛探究，并對根系分泌物和根際微生物之間的募集關系以及根際微生物在土壤環(huán)境中的作用等進行了大量研究。Urska 等[12]發(fā)現(xiàn)，在重金屬脅迫下植物會改變根系分泌物的組成和分泌量，根際微生物群落的組成和分布也會因此受到影響。根系分泌物和根際微生物的協(xié)同作用會改變重金屬在土壤中的存在狀態(tài)，或使其固定在土壤中，或增加其向植物的遷移。比如叢枝菌根真菌和鎘的共同作用可增加玉米根系分泌的有機酸量，同時叢枝菌根真菌也能增加土壤對鎘的吸附以及玉米對鎘的吸收[13]。也有研究初步證明了根際微生物與植物間存在長久而固定的合作關系，這些微生物能促進植物生長并提高植物的重金屬積累能力[14]。近年來，關于根系分泌物的研究成果呈迅速增加的態(tài)勢，而國內外對根系分泌物研究的側重點也有差異[15]。因此，本文就鎘脅迫對植物生長發(fā)育的影響以及鎘脅迫對有機酸、氨基酸和糖類等植物根系分泌物的影響進行簡要綜述，并總結根系分泌物在修復鎘污染土壤中的作用，以期為從根系分泌物角度探尋高效經(jīng)濟的鎘修復植物提供理論基礎。

1 鎘脅迫對植物生長發(fā)育的影響

鎘作為非必需元素進入植物體內會與植物細胞核發(fā)生協(xié)同反應，破壞細胞結構，使細胞器功能紊亂，進而影響細胞內的生理生化反應，造成植物生長異常[16]。不同水平的鎘處理對不同的植物種子影響不同。通常情況下，鎘脅迫會導致植物種子發(fā)芽率下降，抑制根的伸長和芽的生長。研究表明，植物種子的根長和芽長在鎘脅迫下表現(xiàn)出“低促進高抑制”的現(xiàn)象[17]。5、10 mg·L?1鎘脅迫對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)為促進作用，而20、40 mg·L?1鎘脅迫則抑制玉米種子的萌發(fā)和生長[18]。同樣，5 mg·kg?1鎘脅迫促進小白菜種子萌發(fā)，而20 mg·kg?1鎘脅迫則抑制小白菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)[19]。其原因可能是低水平的鎘離子刺激植物產(chǎn)生抗逆性反應，促進了胚乳內部的生理生化反應，進而對種子萌發(fā)表現(xiàn)為促進作用，而高水平鎘離子直接破壞了種子的防御機制，使胚乳代謝紊亂，嚴重可致死亡[20]。

植物地下部分的根與地上部分的葉和莖在鎘脅迫下也表現(xiàn)出“低促高抑”的現(xiàn)象。隨著脅迫加深，鎘對植物的毒害作用愈重，主要表現(xiàn)在植物側根生長受到抑制，主根僵硬、變褐甚至壞死，葉片卷曲黃化，氣孔關閉，葉綠體降解，最終影響光合作用，直到葉片干枯植株死亡[21]。Sivakoti 等[22]研究表明，當土壤中的鎘大于200 mg·kg?1時，顯著降低了棉花的株高、葉面積、莖干重、棉鈴數(shù)和棉產(chǎn)量，而鎘小于200 mg·kg?1時，棉花具有耐受性。此外，鎘毒性會抑制電子轉移從而抑制光系統(tǒng)Ⅱ的光活化，并通過破壞葉片中的葉綠體間接促進活性氧的產(chǎn)生，進而影響植物的光合作用[23]。香樟樹幼苗的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和瞬時水分利用效率都隨著鎘處理水平和時間的增加呈下降趨勢[24]。淡水薇藻在鎘環(huán)境中暴露72 h 后其細胞密度顯著降低，在1.18 μmol·L?1Cd2+處理下，光化學反應顯著下降，非光化學反應增加[25]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫能顯著降低龍葵和小白菜的生物量，但對棉花的生物量沒有顯著影響[26]；也有研究證明了棉花的耐鎘作用[27]。由此可見，探究棉花等非食用型經(jīng)濟作物的根系分泌物在修復鎘污染土壤中的作用，結合新興的植物修復手段有助于攻破鎘污染這一難題。

2 根系分泌物對土壤鎘脅迫的響應

2.1 有機酸

有機酸是一些具有酸性的有機化合物，包括酒石酸、草酸、乙酸、蘋果酸、水楊酸和乳酸等。鎘脅迫下，植物根系分泌的低分子量有機酸能引起土壤中鎘的釋放，并使土壤總有機碳增加，進而使鎘在植物根部附近的溶解度和流動性增加，有利于植物對鎘的吸收、富集和轉運[28]。當植物對重金屬脅迫作出反應時，根系分泌物的組成和含量會發(fā)生很大變化，這些變化會因植物種類和環(huán)境因素等的差異而有所不同。Luo 等[29]分析了東南景天（Sedum alfrediiHance）根系分泌物中62 種化合物的相對峰面積，發(fā)現(xiàn)在不同水平鎘處理下，東南景天根系分泌物的組成和含量差異明顯，草酸在5 mmol·L?1鎘處理時分泌量增加，但隨著鎘處理水平增加其分泌量逐漸減少。Fu 等[30]研究證實，鎘脅迫促進了水稻根系有機酸的分泌，而且這一促進作用是植物應對鎘脅迫的主動過程，在超鎘積累水稻中有機酸的分泌量比正常水稻高出1~2 倍，可見鎘脅迫誘導水稻分泌更多的有機酸來減輕鎘毒性。蓖麻根部的草酸、蘋果酸和檸檬酸的分泌量在低鎘脅迫下（<100 mg·kg?1）隨著植株體內鎘含量的增加而增加，而在高鎘脅迫下（>100 mg·kg?1）則隨著植株體內鎘含量的增加而減少[31]。這一現(xiàn)象表明，低水平鎘引起的蓖麻根部草酸、蘋果酸與檸檬酸的大量分泌有助于蓖麻植株中鎘的富集，而高水平鎘則使蓖麻體內有機酸的合成受到抑制。由此可見，適宜水平的鎘脅迫刺激根系分泌有機酸，使植物對鎘的吸收量增加，在降低土壤鎘含量同時緩解了鎘對植物的毒害作用。

2.2 氨基酸

氨基酸是生物大分子，是植物重要的代謝產(chǎn)物，在植物體內除了維持大分子結構的穩(wěn)定、參與細胞滲透調節(jié)和吸收礦質營養(yǎng)外，還參與植物應對金屬脅迫[32]。在玉米的根系分泌物中，除了谷氨酰胺和蛋氨酸，其他氨基酸含量都隨著鎘脅迫的增加而降低[33]。在水稻中，普通水稻根系分泌物中僅組氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸的分泌量隨鎘脅迫的增加有所增加，而高鎘積累水稻根系分泌物中的氨基酸均有所增加，且它們的含量與鎘處理水平呈正相關[30]。Wu 等[34]發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下2 種石竹品種‘Master’和‘Xiao Yan’的氨基酸含量均顯著降低，‘Xiao Yan’的脯氨酸含量顯著高于對照，而‘Master’的脯氨酸含量顯著低于對照，可見鎘脅迫對氨基酸的分泌會因植物基因型不同而有差異。另外，鎘處理水平的高低對植物根系分泌物的影響也存在差異，比如在伴礦景天中低鎘脅迫抑制了根中N-乙酰-Dl-纈氨酸、N-甲酰甘氨酸和甘氨酸的分泌，同時促進了根系丙氨酸和纈氨酸的分泌；而在高鎘脅迫下，N-乙酰-Dl-纈氨酸和甘氨酸含量降低，N-甲酰甘氨酸、丙氨酸和纈氨酸含量增加[35]，總體而言，高鎘脅迫促進了氨基酸的分泌。

2.3 糖類等其他物質

可溶性糖是根系分泌物的主要成分之一，包括果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖和鼠李糖等。研究表明，鎘脅迫下可溶性糖也是植物應對環(huán)境脅迫的方式之一，在應對重金屬脅迫中發(fā)揮重要作用[36]。植物根系分泌物中的可溶性糖含量隨著鎘水平的增加有先升高后降低的趨勢，其原因可能是鎘離子水平低時植物體內產(chǎn)生一系列抗逆性反應，同時合成大量糖類化合物以提供能量支持這些反應的進行[37]。隨著鎘離子水平升高，植物光合系統(tǒng)遭到破壞，光合活性下降進而導致碳含量下降，糖類合成減少，根系中的糖類物質也相應減少[33]。如東南景天可能通過減少果糖、赤蘚糖醇、羥基乙酸、甘露醇和海藻糖的分泌來響應鎘脅迫[38]。另外，酚類化合物能夠吸引土壤微生物在植物根際定植，是植物與有益微生物之間的交流媒介，其作為土壤中一大類微生物的特異底物或信號分子，能有效地吸引土壤微生物，在植物與根際微生物的交流中發(fā)揮關鍵作用。黃秋葵根系分泌物中的酚類物質不僅能吸引內生的糞產(chǎn)堿菌，而且能促進其在寄主根表面的定殖，進而使植物根系分泌物中的酚類物質和防御性酶上調，改善寄主的內在防御機制，增強了植物抵抗任何形式病原體攻擊的能力[39]。

3 根系分泌物在修復鎘污染土壤中的作用

3.1 根系分泌物對土壤理化性質的影響

土壤理化性質受多種因素的影響，植物根系分泌物便是其中之一[40]。根系分泌物中的黏膠物質有利于土壤團聚體的形成，土壤團聚體能夠改善根際土壤的保水性和透氣性。穩(wěn)定性高、團塊大的團聚體能夠將重金屬鎘固定在土壤中，限制其向植物體內轉運[41]。鎘脅迫能促進植物根系分泌氨基酸和可溶性糖等物質，進而增加土壤顆粒間的粘合作用，增強了土壤團聚體的穩(wěn)定性[42]。向鎘污染土壤中添加甘氨酸可以觀察到本就上升的電動點位繼續(xù)上升，證明鎘吸附到土壤之后與甘氨酸結合形成甘氨酸-鎘螯合物，限制了鎘在土壤中的遷移[43]。此外，根際微生物受根系分泌物的影響在根際大量定殖，也有利于土壤團聚體的結塊[44]。在鎘脅迫下，一些超鎘積累植物的根系分泌大量有機酸使土壤pH 降低[45]，增加了鎘在土壤中的生物活性，促進了根際土壤中有機質的分解，有助于鎘積累植物在大量吸收積累鎘的過程中對磷等必需養(yǎng)分的獲取，為植物應對鎘脅迫提供了營養(yǎng)支持。

3.2 根系分泌物與根際微生物的協(xié)同作用

根際微生物是土壤中最龐大的生命群體，包括細菌、真菌、病毒、原生動物、古菌和顯微藻類，它們在土壤中因土壤深度、土壤質量和植物種類的不同而差別分布，行使著促進物質循環(huán)和能量流動的使命。由于趨化反應，微生物被根系分泌物吸引在植物根際大量聚集，與土壤形成植物-微生物-土壤這一相互影響的特殊微生態(tài)系統(tǒng)[46]。這種根際微生物的趨向聚集是根系分泌物定向選擇的結果，有利于植物與微生物間的協(xié)同互助，共同應對病害脅迫[47]。菌絲體和菌根的形成充分證明了這一點，如在豆科植物中，類黃酮作為信號分子引誘根瘤菌在植物根部定植，并能激活根瘤菌的結瘤基因，促進結瘤菌與根的共生，加強固氮作用[48]。有研究對植物根系分泌物存在下假單胞桿菌產(chǎn)生的可揮發(fā)性有機物成分進行分析，發(fā)現(xiàn)其間存在幾種抗菌化合物和能夠促進植物生長的化合物，證明了根際微生物在根系分泌物的調控下能夠釋放對植物有利的化合物[49]。同樣，在鎘脅迫下根際微生物受環(huán)境和根系分泌物的影響，與植物形成協(xié)同作用共同應對脅迫。如鎘脅迫下密旋鏈酶菌顯著（P<0.05）增加了土壤有機質和溶解性有機碳，并提高了土壤脲酶、脫氫酶和堿性磷酸酶的酶活性，還提高了植物對鎘的吸收和積累，有利于植物對土壤的修復[43]。一些促生菌能夠通過溶解金屬磷酸鹽增加鎘在土壤中的活性，促進鎘在根和土壤間的轉運，有利于超鎘積累植物對土壤的修復[50]。多數(shù)促生菌則通過吸附、沉淀和酶促轉化等方式與土壤中的鎘發(fā)生反應，改變土壤pH 和鎘離子的金屬價進而降低土壤中的金屬溶解度，釋放硫化氫與鎘形成不溶性金屬硫化物將鎘固定在土壤中，減少鎘在根和土壤之間的轉運，降低了其對植物的毒害作用[51]。

3.3 根系分泌物對植物生理過程的影響

鎘脅迫下，植物根系分泌物對植物生理效應的影響也能起到防御鎘脅迫的作用。有機酸作為植物體內重要的代謝產(chǎn)物，在植物體內參與多種代謝途徑，如糖酵解、三羧酸循環(huán)、光呼吸、乙醛酸循環(huán)、光合作用以及氧化還原反應等[52]。有機酸對這些生理生化反應的調節(jié)顯著影響了植物對鎘脅迫的耐受性，如檸檬酸、酒石酸和蘋果酸能夠提高秋華柳的凈光合速率，而檸檬酸能顯著增加類胡蘿卜素含量以及葉肉細胞中葉綠體的數(shù)量和體積[53]。在鎘處理的番茄中，檸檬酸顯著提高了葉綠素a、葉綠素b的含量以及光合速率和水分利用效率[54]。在芥菜中，檸檬酸能夠提高葉片相對含水量和葉綠素含量，并能增強抗壞血酸和谷胱甘肽的分泌以及各種抗氧化酶的活性，減少芥菜中鎘脅迫引起的氧化性損傷，還能通過增強乙二醛酶系統(tǒng)功能增加芥菜對鎘的耐受性[55]。當植物受到環(huán)境脅迫時，氨基酸在協(xié)助植物應對環(huán)境逆境方面發(fā)揮著關鍵作用，氨基酸含有羧基、氨基、巰基和酚基，可與鎘離子結合形成螯合物，氨基酸衍生物谷胱甘肽能夠清除過氧化物質。如在水稻中谷氨酸和天冬氨酸可以通過來自α-COO-和側鏈-COO-的2 個氧原子與Cd 形成穩(wěn)定的螯合物，降低鎘在植物中的遷移[56]。L-谷氨酸通過調節(jié)扁豆根、葉和芽中Ca2+、Mg2+和K+的吸收和轉運，改善鎘脅迫下植物體內的離子穩(wěn)態(tài)，增加葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的含量，緩解鎘脅迫對扁豆造成的葉片失綠現(xiàn)象，并能通過增加抗氧化系統(tǒng)的活性降低鎘毒性對扁豆的氧化性損傷[57]。脯氨酸能夠清除氧化自由基，調節(jié)氣孔關閉，限制鎘離子在植物體內的移動，同時還能與鎘螯合形成脯氨酸螯合物緩解氧化性損傷的發(fā)生并保護生物酶活性。谷胱甘肽能激活原鞘微藻中三酰甘油的合成，而三酰甘油能平衡因鎘脅迫導致的脂質失衡，谷胱甘肽則能清除過氧化物質[58]。最新研究發(fā)現(xiàn)，外源添加海藻糖能提高扁豆中葉綠素、總可溶性蛋白和游離氨基酸的含量，改善鎘對扁豆的毒害作用[59]。

3.4 植物響應鎘脅迫的相關基因和代謝物

鎘競爭性利用鐵、鈣、鋅、銅和錳的轉運蛋白進入植物細胞，刺激植物體內產(chǎn)生大量活性氧，并抑制多種酶的生成和活性，最終改變細胞周期活動，影響基因表達和蛋白質的合成[60]。細胞在識別特定金屬離子后通過刺激鎘脅迫相關基因的上調或下調，誘導鎘脅迫相關蛋白的產(chǎn)生來應對鎘脅迫[61]。Sun 等[62]發(fā)現(xiàn)了一種新的植物金屬應答元件結合轉錄因子PvMTF-1，它是由鎘脅迫相關基因PvSR2 編碼產(chǎn)生，Cd 脅迫顯著增加了PvSR2轉錄本的積累，進一步增強了PvMTF-1 對鄰氨基苯甲酸合酶α-2 鏈基因的表達調控，使游離色氨酸水平升高，降低了植物體內鎘的積累。另外，也有學者將后藤中的植物螯合素合成酶基因lpPCS1 轉入酵母和其他植物中，改善了ycf1Δ 突變株的鎘敏感表型，提高了野生型酵母株的耐鎘性，并促進了鎘在酵母中的積累；在擬南芥中該基因的過度表達提高了植株的耐鎘性，但對鎘在植株中的積累并沒有影響[63]。擬南芥中亞鐵螯合酶基因（AtFC1）的過表達降低了植株中H2O2、O-2和脂質過氧化物等活性氧的積累，增強了植株對鎘的耐受性；鎘誘導下，AtFC1 和AtFC1 生成的血紅素能夠激活谷胱甘肽依賴的植物螯合素合成途徑相關基因，從而提高植物對鎘的耐受性[64]。MYB4轉錄因子激活植株抗氧化防御，同時使植物螯合蛋白合成相關基因協(xié)同表達，增強了植物螯合素合酶1（PCS1）和金屬硫蛋白1C 的活性，有助于增強植株的鎘積累和鎘耐受性，MYB4 轉錄因子基因在轉基因擬南芥植株中的過表達使轉基因植株比野生型植株更具耐鎘性[65]。此外，鎘脅迫會對植物體內代謝物的代謝途徑產(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn)，伴礦景天應對不同水平鎘脅迫的代謝途徑不同，在低水平鎘脅迫下精氨酸、脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，以及谷胱甘肽代謝和嘌呤代謝是主要的代謝途徑；在高水平鎘脅迫下纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成是主要代謝途徑，這幾種代謝途徑能夠產(chǎn)生滲透調節(jié)物質來維持植物自身的滲透平衡，在對鎘脅迫的響應中起關鍵作用[35]。Wei等[66]的研究表明，苧麻根對鎘的響應涉及115 條代謝途徑，主要是谷胱甘肽代謝途徑、半胱氨酸和蛋氨酸代謝途徑；與谷胱甘肽代謝相關的19 個基因表達上調，主要包括谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽S-轉移酶；與半胱氨酸和蛋氨酸代謝途徑相關的36 個基因表達上調，包括S-腺苷甲硫氨酸合成酶、半胱氨酸合酶、精胺合酶、甲基轉移酶和氨基環(huán)丙烷羧酸氧化酶，這些代謝途徑均增加了苧麻的耐鎘性。

4 展望

土壤鎘污染是全球性難題，目前關于土壤鎘的治理在植物吸收、植物降解和微生物修復等生物修復技術方面已取得很大進展，一些輔助促進鎘修復的方法如添加植物激素、添加生物炭、接種促生菌、增堆有機肥等的應用和研究也越來越多。隨著分子生物學的發(fā)展和生物技術的進步，一些植物響應鎘脅迫的有效基因也逐漸被挖掘，這將有利于從分子育種方面培育經(jīng)濟效益更高、修復作用更強的植物品種。但仍需要在分子水平上進一步研究外源物質修復鎘的運轉途徑和修復機制。

根系分泌代謝物是植物應對和改變其生長環(huán)境的有效機制，根系分泌物可以通過改變植物根際理化性質和有益微生物群落的分布，改善微生態(tài)環(huán)境、豐富土壤養(yǎng)分，進而促進植物生長。根系分泌物還可以直接參與植株的生長發(fā)育，調節(jié)根際及植物體內的生理生化反應，起到緩解環(huán)境脅迫的作用。目前，根系分泌物相關研究多集中在有機酸、氨基酸、可溶性糖等種類多、數(shù)量大的成分上，對其他種類的分泌物研究較少，而關于植物如何接收環(huán)境脅迫的刺激，進而增加或減少某種或幾種代謝物的分泌機制尚不明確。

根際微生物是根際環(huán)境中重要的組成部分，關于根際微生物與植物之間的關系已有大量的研究，但仍有一些問題需深入研究。比如實驗室條件下得到的微生物與根系分泌物之間的相互作用結果與自然條件下得到的結果有何異同，根際微生物受根系分泌物牽引聚集是否還受到其他因素的影響？加深對根際微生物、根系分泌物和環(huán)境脅迫的進一步了解，有助于解開植物修復的諸多未知機制，有利于針對污染土壤定向選擇修復植物和協(xié)同微生物，促進土壤污染的改善和修復。目前對非食用型經(jīng)濟作物修復鎘污染的研究已取得一定進展，比如棉花、蓖麻等植物對土壤鎘有良好的吸收和富集作用，但對其根系分泌物響應鎘脅迫及緩解鎘毒害作用的機制有待進一步加強。今后可以此為方向，進一步開展非食用型經(jīng)濟作物根系分泌物應對鎘脅迫的內在機制研究，同時從分子生物學的角度結合基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等技術探究鎘脅迫下根系分泌物的代謝機制，進而促進生物修復技術的發(fā)展和應用。