有機(jī)配體對(duì)超富集植物轉(zhuǎn)運(yùn)及解毒鎳、鋅的影響

莫冰嵐,李 蕾,胡尊河,鄧騰灝博①,曹 越,湯葉濤,仇榮亮,,4,5

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510642;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究所,廣東 廣州 510640;3.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;4.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510642;5.廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510642)

1977年,BROOKS等[1]首次提出了“hyperaccumulator”(超富集)這一概念,用來(lái)描述植物地上部鎳(Ni)含量超過(guò)1 000 mg·kg-1(干重)的特殊植物。隨后有學(xué)者進(jìn)一步將超富集的概念從Ni拓展到Zn、Cd等重金屬,并將其定義為地上部重金屬含量比普通植物高2個(gè)數(shù)量級(jí)且比同一污染環(huán)境中的普通植物高1個(gè)數(shù)量級(jí)的特殊植物[2-4]。達(dá)到“超富集”的判定標(biāo)準(zhǔn)是植物葉片或地上部(干重)中鎘(Cd)含量達(dá)100 mg·kg-1,砷(As)、鈷(Co)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)含量達(dá)1 000 mg·kg-1,錳(Mn)、鋅(Zn)含量達(dá)10 g·kg-1以上[5]。截止目前,已有721種植物被判定為超富集植物[6-7]。由于這類植物具有超量富集重金屬的能力及對(duì)金屬特定的指示性,已廣泛應(yīng)用于植物修復(fù)、植物采礦和植物找礦中[8]。同時(shí),超富集植物特殊的重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及解毒機(jī)制也受到了廣泛的關(guān)注。與普通植物相比,超富集植物根部通過(guò)高量表達(dá)重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)載體,從而能夠快速吸收大量重金屬,同時(shí)通過(guò)提高重金屬的根部徑向運(yùn)輸能力以及木質(zhì)部裝載能力,將其高效轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部進(jìn)行儲(chǔ)存解毒[9]。在這個(gè)過(guò)程中,如何提高超富集植物中重金屬的遷移能力并緩解其毒性是一個(gè)重要的研究課題,而有機(jī)配體可能在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。有機(jī)配體是指可與金屬離子發(fā)生配位并具有生物功能的有機(jī)物,一般可分為氨基酸類、有機(jī)酸類和多肽類物質(zhì)等。有機(jī)配體在超富集過(guò)程中主要起到金屬解毒和增強(qiáng)金屬的移動(dòng)性等作用[10]。Ni和Zn超富集植物的種類豐富,具有良好的應(yīng)用潛力,因此受到了學(xué)界的廣泛關(guān)注,其中有機(jī)配體的研究也相對(duì)深入。因此,筆者重點(diǎn)總結(jié)梳理了Ni/Zn超富集植物體內(nèi)主要的有機(jī)配體及其對(duì)金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒過(guò)程的影響,以期為植物耐受重金屬脅迫的生理生態(tài)機(jī)制及超富集植物的應(yīng)用提供參考。

1 Ni/Zn超富集植物體內(nèi)的主要配體

有機(jī)配體易與重金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物,對(duì)金屬離子的移動(dòng)性及毒性具有重要的影響。超富集植物含有高量的重金屬,其體內(nèi)螯合物以易合成、含量豐富的小分子配體為主。目前研究發(fā)現(xiàn)超富集植物體內(nèi)主要的有機(jī)配體包括煙草胺、組氨酸、有機(jī)酸等,其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超富集植物體內(nèi)主要有機(jī)配體的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.1 氨基酸類配體

1.1.1組氨酸

組氨酸(histidine,His)是在1896年被INGLE等[11]發(fā)現(xiàn)的三齒配體,由于它存在羧基、氨基和咪唑環(huán),能夠與重金屬離子形成較穩(wěn)定的復(fù)合物。His的咪唑基團(tuán)在生理pH值(7.35～7.45)條件下可以在質(zhì)子化和去質(zhì)子化狀態(tài)之間交替[12-13]。因此,His可與酸、堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),這決定了它能存在于許多酶的活性位點(diǎn)中。His與重金屬的結(jié)合能力相對(duì)較強(qiáng),且無(wú)論是在微酸還是在偏堿性pH值條件下,His和Ni等金屬形成的復(fù)合物穩(wěn)定常數(shù)都較高[14]。因此,組氨酸是植物細(xì)胞中重要的金屬配體。

1.1.2煙草胺

煙草胺(nicotianamine,NA)是非蛋白質(zhì)氨基酸,它由3個(gè)S-腺苷-甲硫氨酸分子的3個(gè)氨基-羧丙基基團(tuán)通過(guò)NA合酶的酶促縮合產(chǎn)生。分子中3個(gè)氨基和3個(gè)羧基的存在允許形成六齒配位,從而驅(qū)動(dòng)與中心金屬離子形成非常穩(wěn)定的八面體螯合物[14]。NA是植物合成鐵載體(如麥根酸)的前體物質(zhì),最初被發(fā)現(xiàn)與鐵代謝有關(guān):NA可與Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物,從而保證了Fe在植物體內(nèi)的移動(dòng)性[15]。不久后它被證明對(duì)銅代謝也很重要[16]。另外,有報(bào)道顯示,在超富集植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了Zn與NA的結(jié)合[17]。NA能與Mn、Fe(Ⅱ)、Zn、Co、Ni和Cu 按親和力遞增的順序形成穩(wěn)定的螯合物[18](表1)。

表1 蘋果酸、檸檬酸、組氨酸、煙草胺和EDTA與重金屬的配合物穩(wěn)定常數(shù)(lg K)

1.2 有機(jī)酸類配體

有機(jī)酸廣泛存在于植物體內(nèi),是一種帶有1個(gè)或多個(gè)羧基的低分子量的碳?xì)溲趸衔?。有機(jī)酸是光合作用的產(chǎn)物,其主要在線粒體中通過(guò)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生,少量產(chǎn)生于乙醛酸循環(huán)體[19]。在重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)后,重金屬可與有機(jī)酸結(jié)合,從而有效降低其與細(xì)胞內(nèi)蛋白和酶結(jié)合的機(jī)會(huì),起到降低重金屬生理毒害作用[20]。因?yàn)橹参锿ǔＴ谝号葜袃?chǔ)存高濃度的蘋果酸等有機(jī)酸,所以重金屬進(jìn)入液泡將不可避免地與有機(jī)酸結(jié)合。在液泡的酸性pH值(5～6)條件下,重金屬與有機(jī)酸結(jié)合形成的復(fù)合物穩(wěn)定性較高。因此,有機(jī)酸可能在植物液泡區(qū)室化重金屬過(guò)程中扮演重要角色。但值得注意的是,有機(jī)酸與重金屬形成的配合物穩(wěn)定常數(shù)(lgK)明顯低于NA和His等配體[21],這也說(shuō)明有機(jī)酸和重金屬的結(jié)合不存在太強(qiáng)的特異性。

2 有機(jī)配體在Ni/Zn超富集植物體內(nèi)的作用機(jī)制

根部遷移及解毒、木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)和葉片解毒等過(guò)程是超富集植物從根際土壤吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)移、富集到地上部的主要調(diào)控過(guò)程,也是超富集植物區(qū)別于普通植物的關(guān)鍵生理機(jī)制。有機(jī)配體也在這些超富集過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用(圖2)。

(1)根部吸收;(2)根部區(qū)室化;(3)木質(zhì)部裝載;(4)木質(zhì)部運(yùn)輸;(5)木質(zhì)部卸載;(6)葉片區(qū)室化。

2.1 根部遷移及解毒過(guò)程

高含量的重金屬離子被吸收進(jìn)入植物根部細(xì)胞后會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生強(qiáng)烈的毒害作用。在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)偏堿性(pH=7～8)的環(huán)境下,氨基酸類物質(zhì)與重金屬的絡(luò)合能力較強(qiáng),故細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的金屬離子傾向于與氨基酸類有機(jī)配體結(jié)合,從而有效提高重金屬的移動(dòng)性并緩解其毒性[22-23]?，F(xiàn)有研究表明,超富集植物根部通常含有較高濃度的氨基酸類配體。例如,KERKEB等[24]研究發(fā)現(xiàn),Ni 超富集植物Odontarrhenalesbiaca的根部His濃度是非富集植物印度芥菜(Brassicajuncea)的5倍以上。而針對(duì)Ni/Zn超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜(Noccaeacaerulescens)的研究也有類似發(fā)現(xiàn):其根部His濃度是非富集植物菥蓂(Thlaspiarvense)的10倍,但2種植物葉片中的His濃度則相差不大[32]。SALT等[13]針對(duì)超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜的研究發(fā)現(xiàn),根細(xì)胞中55%～70%的Zn與His結(jié)合。Ni或Zn與His形成的復(fù)合物可有效阻止其向根部液泡的轉(zhuǎn)運(yùn),從而顯著降低了Ni/Zn的液泡區(qū)室化作用,增強(qiáng)了其根部的徑向移動(dòng)性以及木質(zhì)部裝載能力[25-27]。外部添加實(shí)驗(yàn)也證實(shí),His在水培溶液的添加可顯著提高非富集植物B.juncea向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Ni的能力[24]。

而與His類似,NA也可能在金屬的根部遷移過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。例如,Zn超富集植物鼠耳芥(Arabidopsishalleri)根部NA的合成能力比與之同屬的非富集植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)強(qiáng)[28]。DAMIEN等[29]通過(guò)體積排阻色譜-ICPMS聯(lián)用的方法測(cè)定了鼠耳芥根部Zn的形態(tài),發(fā)現(xiàn)Zn主要與NA以及巰基類化合物結(jié)合;通過(guò)基因工程手段將鼠耳芥植株的NA合成酶(NAS)基因沉默后,植物根部的NA含量出現(xiàn)了大幅下降,而Zn在地上部的含量也出現(xiàn)了大幅降低,表明NA在植物根部Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中扮演了重要的角色。另一方面,NA在重金屬解毒過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用。例如,CHEN等[30]將東南景天(Sedumalfredii)SaNAS1基因異源表達(dá)在非富集植物擬南芥中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)Zn的濃度出現(xiàn)了顯著提高,對(duì)高Zn脅迫的耐受性也得到了提升。類似的是,PIANELLI等[31]將天藍(lán)遏藍(lán)菜的NcNAS基因轉(zhuǎn)移至非富集植物擬南芥體內(nèi)表達(dá),發(fā)現(xiàn)植株體內(nèi)的NA含量升高了100倍,其對(duì)Ni的耐受性及轉(zhuǎn)移能力也得到了大幅提高。這些研究結(jié)果表明,NA與Ni、Zn的結(jié)合一方面降低了金屬離子的在細(xì)胞內(nèi)的毒性,另一方面也提高了其在共質(zhì)體的移動(dòng)性,促進(jìn)了其徑向運(yùn)輸能力。

一般而言,超富集植物根部液泡對(duì)重金屬的區(qū)室化能力較差。但當(dāng)其長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)在相對(duì)高濃度的重金屬環(huán)境下,重金屬仍會(huì)被大量轉(zhuǎn)移到根部液泡中儲(chǔ)存[32]。根部液泡呈酸性(pH=5～6)且含有較高濃度的有機(jī)酸,因此在液泡中金屬可能主要與有機(jī)酸結(jié)合。例如,BOOMINATHAN等[33]研究Ni超富集植物Odontarrhenabertolonii發(fā)現(xiàn),在25 mg·L-1的Ni處理下其根部28%的Ni與有機(jī)酸(檸檬酸、蘋果酸和丙二酸)結(jié)合。SARRET等[34]通過(guò)EXAFS探索了生長(zhǎng)在Zn污染土壤中的超富集植物鼠耳芥根部Zn的賦存形態(tài),發(fā)現(xiàn)其根部的Zn主要與檸檬酸、蘋果酸及磷酸鹽結(jié)合。但SHEN等[35]對(duì)比了超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜及非富集植物Thlaspiochroleucum體內(nèi)有機(jī)酸的含量,發(fā)現(xiàn)兩者并沒(méi)有顯著的區(qū)別?？梢?jiàn)有機(jī)酸的含量并非金屬解毒及超富集的決定性因素。

2.2 木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程

植物從土壤中吸收Ni、Zn后,通過(guò)根部共質(zhì)體徑向運(yùn)輸?shù)竭_(dá)木質(zhì)部薄壁細(xì)胞,隨后主要通過(guò)金屬外排轉(zhuǎn)運(yùn)載體(如HMA4蛋白[36]、YSL蛋白[37])將其以重金屬離子或重金屬-配體復(fù)合物的形式裝載進(jìn)入木質(zhì)部[38]。木質(zhì)部是連接地上部和根部的通道,也是植物的非生命部分,主要由厚壁死細(xì)胞組成[39]。近年來(lái),超富集植物木質(zhì)部運(yùn)輸過(guò)程得到了較為廣泛的研究。例如,KRMER等[16]首先報(bào)道了Ni超富集植物O.lesbiaca木質(zhì)部汁液中Ni的主要形態(tài),主要通過(guò)EXAFS并結(jié)合模型計(jì)算的結(jié)果顯示,48%的Ni以離子態(tài)形式存在,其他的Ni則與組氨酸 (19%)、谷氨酸 (15%)、檸檬酸 (9%) 和蘋果酸 (3%) 結(jié)合;ALVES等[40]的田間調(diào)查發(fā)現(xiàn),生長(zhǎng)在蛇紋巖地區(qū)的超富集植物Odontarrhenaserpyllifoliassp.lusitanicum,其木質(zhì)部汁液中70%的Ni為水合離子態(tài),其他部分則被有機(jī)酸螯合,如檸檬酸 (18%)。CENTOFANTI等[41]的研究顯示,在幾種齒絲薺屬 (Odontarrhena) 超富集植物中,木質(zhì)部汁液中Ni的有機(jī)螯合物 (包括有機(jī)酸和氨基酸等) 含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Ni離子的濃度,說(shuō)明Ni在木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)該主要以離子形態(tài)存在。

對(duì)Zn超富集植物的研究也有類似的結(jié)論。SALT等[13]對(duì)Zn超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜的研究表明,木質(zhì)部汁液中Zn主要以離子形態(tài)為主(79%),剩余部分則與檸檬酸絡(luò)合(21%)。LIU等[42]通過(guò)EXAFS檢測(cè)了Zn超富集植物東南景天木質(zhì)部汁液中Zn的形態(tài),發(fā)現(xiàn)Zn同樣以水合Zn離子的形態(tài)(>55.9%)為主,其余部分的Zn則與檸檬酸結(jié)合(36.7%～42.3%)。

總體而言,由于木質(zhì)部汁液呈酸性(pH=5～6),且運(yùn)輸?shù)挠袡C(jī)配體濃度較低,因此金屬主要以水合離子形式賦存,少部分則以金屬-有機(jī)配體的形式賦存(表2)。

表2 木質(zhì)部汁液中金屬賦存形態(tài)及其占比

2.3 葉片解毒過(guò)程

葉片的生物量大、賦存的重金屬濃度高是超富集植物積累及解毒重金屬的主要器官。木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)慕饘俚竭_(dá)葉片后,通過(guò)葉脈傳遞到整個(gè)質(zhì)外體空間。這時(shí)金屬或者被葉肉細(xì)胞吸收,或者保留在質(zhì)外體中[43]。BROADHURST等[44]研究發(fā)現(xiàn),Ni超富集植物齒絲薺(Odontarrhenachalcidica)葉片中Ni的首要存儲(chǔ)部位是表皮細(xì)胞。LEE等[45]研究發(fā)現(xiàn),新喀里多尼亞蛇紋巖地區(qū)的多種木本超富集植物葉片中的Ni主要以檸檬酸結(jié)合態(tài)的形式存在。另外,在歐洲的齒絲薺屬(Odontarrhena)的超富集植物中,Ni則主要被蘋果酸和丙二酸螯合[46]。

3 有機(jī)配體合成與調(diào)控的分子機(jī)制

超富集植物賦存的高量金屬結(jié)合有機(jī)配體表明其體內(nèi)存在特殊的配體合成基因表達(dá)及調(diào)控通路。但現(xiàn)階段針對(duì)有機(jī)配體在超富集植物體內(nèi)合成的相關(guān)分子機(jī)制還缺乏系統(tǒng)性的探索,下面以超富集植物重要的有機(jī)配體(如煙草胺、組氨酸等)為例介紹相關(guān)的分子機(jī)制。

3.1 煙草胺

NA的生物合成涉及2步反應(yīng),需要2種酶參與催化,分別是S-腺苷甲硫氨酸合酶(SAMS)和煙草胺NA合酶(NAS)。其中,SAM基因可編碼SAM合酶,SAM合酶催化合成NA的前體物質(zhì)SAM,SAM在NAS的催化下合成NA。有研究表明,無(wú)論外界Zn濃度如何變化,超富集植物鼠耳芥的SAM轉(zhuǎn)錄水平都維持高位;而非富集植物擬南芥只在過(guò)量的Zn處理下SAM轉(zhuǎn)錄水平才會(huì)升高[52-53]。而NAS基因在超富集植物鼠耳芥和天藍(lán)遏藍(lán)菜中均被發(fā)現(xiàn)存在組成型高量表達(dá)現(xiàn)象[36]。MARI等[54]研究發(fā)現(xiàn),天藍(lán)遏藍(lán)菜只在地上部表達(dá)NcNAS1,其根部賦存的高濃度NA可能是通過(guò)韌皮部轉(zhuǎn)移到根部?jī)?chǔ)存。CHEN等[55]從東南景天中分離出4個(gè)SaNAS基因:SaNAS2、SaNAS3、SaNAS4和SaNAS5。RT-PCR分析表明,在Cd脅迫的條件下,4個(gè)SaNAS基因在根部組織高量表達(dá);而在Zn脅迫的條件下,只有SaNAS2、SaNAS3、SaNAS4這3個(gè)基因表達(dá)上調(diào)?？傮w而言,NA合成相關(guān)基因的過(guò)表達(dá)可能是植物超富集Zn的關(guān)鍵機(jī)制之一。

3.2 組氨酸

植物體內(nèi)L-組氨酸的合成經(jīng)歷10步反應(yīng),9種酶參與催化,其中ATP-PRT、IGPD和HDH被認(rèn)為是His合成過(guò)程中的限速酶。與其他氨基酸不同,大部分合成His的酶是由單拷貝基因編碼[56]。前人主要探索了Ni超富集植物His合成的分子機(jī)制。PERSANS等[57]研究顯示,Ni超富集植物N.goesingense合成His的3種限速酶基因不受Ni的調(diào)控,即Ni脅迫不會(huì)改變3種基因的表達(dá)和植物體內(nèi)His的濃度,說(shuō)明其體內(nèi)His的合成是持續(xù)的,與外界的影響無(wú)關(guān)。INGLE等[56]的研究表明,與非富集植物相比,Ni超富集植物O.lesbiaca中的His合酶基因HISN1A和HISN1B的高量表達(dá)與根部游離His濃度的增加密切相關(guān)?？傮w而言,Ni超富集植物體內(nèi)His合成基因的表達(dá)量相對(duì)較高,但對(duì)其轉(zhuǎn)錄調(diào)控仍知之甚少。

3.3 其他

ZHAO等[58]對(duì)超富集植物商陸(Phytolaccaamericana)進(jìn)行Cd處理發(fā)現(xiàn),植物中蛋氨酸的生物合成上調(diào),蛋氨酸是合成SAM的前體,而SAM是合成NA的前體,所以這可能是增加植物中的NA庫(kù)以應(yīng)對(duì)金屬脅迫。SCHNEIDER等[59]對(duì)Zn超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜的葉表皮和葉肉組織的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明,表皮細(xì)胞通過(guò)積累更多的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)和GSH來(lái)適應(yīng)高濃度的Zn。WANG等[60]對(duì)不同Cd 濃度處理下龍葵(Solanumnigrum)的代謝組學(xué)研究表明,隨著 Cd 脅迫濃度的增加,大多數(shù)碳水化合物的濃度增加,表明龍葵主要通過(guò)激活其體內(nèi)的能量代謝途徑來(lái)減輕Cd的毒性。

4 有機(jī)配體及金屬配合物的檢測(cè)方法

有機(jī)配體在植物體內(nèi)重金屬解毒等方面發(fā)揮著重要作用。植物體內(nèi)的有機(jī)配體可以通過(guò)液質(zhì)聯(lián)用(LC-MS)[61]、氣相質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)[61]和高效液相色譜-電噴霧/四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用(LC-ESI-Q-TOF-MS)[62]等方法進(jìn)行檢測(cè)。而植物體內(nèi)的金屬配合物的檢測(cè)方法[63]主要有紅外光譜(FTIR)、電子自旋共振光譜(ESR)、X射線吸收光譜(EXAFS)、核磁共振(NMR)和LC-ESI-Q-TOF-MS。MCNEAR等[64]使用ATR-FTIR的方法研究Ni在超富集植物齒絲芥植物汁液中的形態(tài),結(jié)果表明Ni在齒絲芥植物汁液和維管系統(tǒng)中主要與組氨酸、蘋果酸鹽等低分子有機(jī)配體結(jié)合。MERDY等[65]研究了小麥秸稈細(xì)胞壁殘?jiān)?CWR)對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附作用,根據(jù)ESR的參數(shù)推斷Cu(Ⅱ)離子與 CWR 絡(luò)合時(shí),與4個(gè)含氧基團(tuán)以方平面排列方式配位。STRACZEK等[66]通過(guò)EXAFS觀察煙草根系中Zn的配位,發(fā)現(xiàn)Zn主要與根細(xì)胞壁中的COOH/OH基團(tuán)(總根系Zn的40%～80%)和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的有機(jī)酸(如檸檬酸鹽和蘋果鹽)結(jié)合。UENO等[67]通過(guò)113Cd-NMR研究超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜葉片中Cd的賦存形態(tài),發(fā)現(xiàn)葉片中的Cd主要與蘋果酸結(jié)合。TSEDNEE等[70]通過(guò)LC-ESI-Q-TOF-MS的方法測(cè)定了小麥樣品中的Fe-PS配合物的含量。

5 展望

總體而言,超富集植物體內(nèi)高量的小分子有機(jī)配體可能是其高效轉(zhuǎn)運(yùn)及耐受重金屬的重要原因。目前該領(lǐng)域的研究仍存在較多空白,未來(lái)仍需針對(duì)重金屬超富集植物螯合解毒、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制開(kāi)展進(jìn)一步的探索:

(1)超富集植物有機(jī)配體的種類及其作用有待進(jìn)一步研究。目前的研究主要圍繞組氨酸和煙草胺等幾種配體,以及天藍(lán)遏藍(lán)菜、東南景天等幾種超富集植物,對(duì)其他有機(jī)配體及植物品種的研究較少。不同超富集植物品種體內(nèi)的配體是否具有特異性?未來(lái)需結(jié)合代謝組學(xué)方法對(duì)更多品種的超富集植物體內(nèi)有機(jī)配體進(jìn)行分析。

(2)氨基酸類配體的含量變化對(duì)超富集植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的影響有待進(jìn)一步研究。超富集植物持續(xù)合成高量的氨基酸類配體,是否會(huì)對(duì)植物體內(nèi)其他氨基酸類物質(zhì)的合成產(chǎn)生影響?超富集植物如何進(jìn)行調(diào)控和平衡?目前這部分尚屬于研究空白,未來(lái)需運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)等方法重點(diǎn)探索超富集植物中有機(jī)配體含量變化對(duì)其體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的影響。

(3)超富集植物中有機(jī)配體的合成、調(diào)控及轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。例如,超富集植物持續(xù)高量表達(dá)NAS基因的調(diào)控信號(hào)來(lái)自哪里?植物體內(nèi)的有機(jī)配體如何在植物根部-地上部進(jìn)行循環(huán)運(yùn)輸?未來(lái)需運(yùn)用分子生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等方法研究超富集植物中有機(jī)配體的合成、調(diào)控及轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制。

(4)有機(jī)配體在植物提取修復(fù)過(guò)程中的應(yīng)用技術(shù)有待進(jìn)一步研究。如何提高超富集植物地上部重金屬的濃度是決定植物提取修復(fù)成敗的重要難題。而有機(jī)配體是影響重金屬向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的重要因素。未來(lái)可通過(guò)外部施加相關(guān)有機(jī)配體的方式,或通過(guò)篩選或構(gòu)建超量合成有機(jī)配體的超富集植物品種,達(dá)到提高植物提取效率的目的。