植物抗銅毒害機(jī)制的研究進(jìn)展

摘要銅（Cu）是植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，廣泛參與多種生理生化過程，但過量的銅會(huì)產(chǎn)生毒害作用，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。為了抵御銅毒害，植物進(jìn)化出多種機(jī)制來嚴(yán)格調(diào)控環(huán)境中銅的吸收及其在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。近年來，隨著人類工業(yè)化的發(fā)展，土壤中的銅污染日益加劇。闡述了銅毒害對(duì)植物造成的危害，總結(jié)分析植物利用根系分泌物、細(xì)胞壁、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、抗氧化劑等響應(yīng)銅脅迫的各類防御機(jī)制，此外，還探討了囊泡運(yùn)輸在植物抗銅毒害中的潛在功能，以期為耐銅作物的培育提供新的思路和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞植物；銅毒害；吸收；轉(zhuǎn)運(yùn)；囊泡運(yùn)輸

中圖分類號(hào)X173"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A"文章編號(hào)0517-6611（2024）24-0023-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.005

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

ResearchProgressontheMechanismofPlantResistancetoCopperToxicity

WANGLiu-fan，RANYu-ling，ZHANGGuo-chaoetal

（CollegeofLifeandEnvironmentalSciences，ShaoxingUniversity，Shaoxing，Zhejiang312000）

AbstractCopper（Cu）isanessentialnutrientelementforplantsandwidelyparticipatesinvariousphysiologicalandbiochemicalprocesses.However，excessivecopperhastoxiceffectsandseriouslyaffectsthegrowthanddevelopmentofplants.Inordertoresistcoppertoxicity，plantshaveevolvedmultiplemechanismstostrictlyregulatetheabsorptionofcopperintheenvironmentanditstransportwithinthebody.Inrecentyears，withtheadvancementofhumanindustrialization，copperpollutioninsoilhassignificantlyincreased.Thispaperelaboratesontheharmcausedbycoppertoxicitytoplants，andsummarizesandanalyzesvariousdefensemechanismsofplantsinresponsetocopperstress，suchasrootexudates，cellwalls，transportproteins，andantioxidant.Inaddition，weexploredthepotentialfunctionofvesicletransportinplantresistancetocoppertoxicity，hopingtoprovidenewideasandtheoreticalbasisforthecultivationofcoppertolerantcrops.

KeywordsPlant;Coppertoxicity;Absorption;Transport;Vesicletrafficking

目前，重金屬污染已經(jīng)是一個(gè)世界性的環(huán)境問題，它給地球上的生物安全帶來嚴(yán)重隱患。在眾多重金屬中，銅作為植物生長(zhǎng)所必需的八種微量元素之一，與植物的許多生理和生化過程有關(guān)，包括光合作用、呼吸作用、超氧化物清除、細(xì)胞壁代謝、木質(zhì)化以及乙烯感知等^［1］，是一種對(duì)植物正常代謝至關(guān)重要的營(yíng)養(yǎng)元素。植物在缺銅條件下會(huì)出現(xiàn)各種異常表型，包括生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、嫩葉扭曲和水分運(yùn)輸不足等^［2］。近年來由于人類工業(yè)和農(nóng)業(yè)上含銅制品的大量使用和排放，導(dǎo)致銅污染日益加劇。高濃度的銅會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，影響一些關(guān)鍵細(xì)胞成分的功能^［1］，并且對(duì)土壤微生物具有毒害作用，阻礙植物對(duì)氮、鉀、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用^［3］。這些積聚在植物體內(nèi)的銅不僅會(huì)減少作物產(chǎn)量，最終還將通過食物鏈對(duì)人類的健康構(gòu)成威脅。該研究圍繞銅對(duì)植物的毒害作用以及植物對(duì)銅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，著重探討植物抗銅毒害機(jī)制的研究進(jìn)展，旨在為提高植物耐銅性和土壤銅污染的植物修復(fù)提供借鑒和參考。

1銅對(duì)植物的毒害

銅對(duì)植物的毒性取決于其在土壤中的溶解度和有效性^［4］，而銅在土壤中的溶解度又依賴于pH和可溶性有機(jī)質(zhì)的含量^［5］，它的生物利用率則受到總銅濃度、陽離子交換能力、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤pH的影響^［6］。一旦體內(nèi)的銅過量就會(huì)產(chǎn)生大量自由基與活性氧，對(duì)植物造成毒害，影響植物的種子萌發(fā)、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、光合作用和根部生長(zhǎng)等^［7］。

1.1銅毒害對(duì)種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是植物生命的重要階段，在此期間植物對(duì)周圍介質(zhì)的變化高度敏感^［8］，而銅的過度積累會(huì)導(dǎo)致萌發(fā)率顯著下降^［9-12］。研究表明，銅脅迫抑制種子萌發(fā)可能由三方面原因造成：①種子長(zhǎng)期處于銅脅迫條件下，種皮對(duì)銅的滲透性增強(qiáng)，導(dǎo)致銅滲透到胚胎中，進(jìn)而抑制種子萌發(fā)；②銅毒害會(huì)阻礙糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制碳水化合物從源到庫的輸出，從而影響種子萌發(fā)^［13］；③銅毒害會(huì)下調(diào)ɑ-淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶以及烯醇化酶的活性^［14］，導(dǎo)致蔗糖和葡萄糖水解，其產(chǎn)物過量積累從而降低種子萌發(fā)率^［15］。

1.2銅毒害對(duì)吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的影響

研究表明，銅脅迫會(huì)使得植物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素（N、Fe、Zn、Ca和Mn等）的吸收率下降^{［3，16-18］}。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，NRT1.1、NRT1.2是高親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白^［19］，NRT1.5負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)硝酸鹽長(zhǎng)距離運(yùn)輸，介導(dǎo)硝酸鹽從木質(zhì)部向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)^［20］，它們與植物的N吸收密切相關(guān)。長(zhǎng)期處于銅脅迫條件下，擬南芥NRT1.1、NRT1.2和NRT1.5的轉(zhuǎn)錄水平都明顯下調(diào)，進(jìn)而影響植株對(duì)N元素的吸收。此外，銅脅迫還會(huì)通過抑制硝酸還原酶的活性來阻礙硝酸鹽還原成銨，造成擬南芥對(duì)N的吸收減少^［3］。銅毒害會(huì)增加擬南芥細(xì)胞中的有機(jī)螯合劑（煙酰胺和谷胱甘肽），進(jìn)而減少Fe從根部到地上部分的運(yùn)輸，導(dǎo)致Fe在植物根部積累^［17］。另有研究顯示，高粱（Sorghum bicolor）幼苗處于銅脅迫條件下其根系對(duì)Fe、Zn、Ca和Mn的吸收率顯著降低^［18］。

1.3銅毒害對(duì)光合作用的影響

銅離子在植物中參與光合電子傳遞和氧化還原反應(yīng)，它是質(zhì)體藍(lán)蛋白、Cu/Zn超氧化物歧化酶、車前花青素以及銅依賴性胺氧化酶等的重要組分^［21］。植物將銅傳遞給葉綠體類囊體腔的質(zhì)體藍(lán)素和基質(zhì)中的CSD2。質(zhì)體藍(lán)素和CSD2都是核基因編碼的，其中質(zhì)體藍(lán)素參與光合作用，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。當(dāng)銅缺乏時(shí)，植物會(huì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)銅離子的分布，優(yōu)先將銅傳遞給質(zhì)體藍(lán)素，從而保證光合作用的正常進(jìn)行^［22-24］。但是當(dāng)銅過量時(shí)，反而會(huì)破壞葉綠體和類囊體膜的組成，降低光合色素和電子載體的含量，從而抑制光合作用的電子轉(zhuǎn)移，使得葉片變黃^［25］。銅過量還會(huì)導(dǎo)致鐵從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移減少，引發(fā)代謝紊亂，使葉綠素濃度降低，進(jìn)一步影響光合作用^［26］。

1.4銅毒害對(duì)根部生長(zhǎng)的影響

銅過量會(huì)破壞植物根角質(zhì)層和根部的細(xì)胞膜，抑制主根伸長(zhǎng)，促進(jìn)側(cè)根形成，并減少根毛的產(chǎn)生，從而使根系的生長(zhǎng)速度下降^［7］。研究顯示，銅脅迫抑制初生根的生長(zhǎng)與生長(zhǎng)素的再分配密切相關(guān)，而生長(zhǎng)素的再分配受生長(zhǎng)素輸出載體PIN1（PIN-formed1）調(diào)控^［27］。生長(zhǎng)素報(bào)告基因DR5顯示，銅脅迫條件下生長(zhǎng)素在根尖上方積累，進(jìn)而促進(jìn)側(cè)根的形成^［28］。此外，銅過量還會(huì)使根部細(xì)胞分裂減少，細(xì)胞壁厚度增加，導(dǎo)致根部形態(tài)發(fā)生改變^［29］。同時(shí)，銅毒害會(huì)使代謝失衡，增加細(xì)胞膜中的活性氧和脂質(zhì)過氧化，致使植物根部形態(tài)異常^［23］。有證據(jù)顯示，長(zhǎng)期處于銅脅迫下的大蒜（Allium sativum）根部出現(xiàn)有絲分裂指數(shù)逐漸下降，線粒體結(jié)構(gòu)改變，核膜破裂，染色質(zhì)物質(zhì)凝聚以及細(xì)胞器解體等現(xiàn)象^［30］?？傊?，銅毒害會(huì)抑制植物根的初級(jí)生長(zhǎng)，減緩根分生細(xì)胞的增殖，破壞細(xì)胞的完整性。

2植物對(duì)銅的吸收與運(yùn)輸

植物正常生長(zhǎng)發(fā)育除了需要吸收C、H、O、N和P等大量元素外，還需要吸收微量元（Fe、B、Cu、Zn、Mo和Mn等）以維持正常的生理生化活動(dòng)。微量元素中的銅作為一種重要的輔酶因子，參與植物的光合作用和呼吸作用。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，植物產(chǎn)生了一套完善的吸收機(jī)制，以便從環(huán)境中獲得銅離子來滿足自身需求。

首先，由纖維素、果膠和糖蛋白構(gòu)成的細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷，因此可以與銅離子結(jié)合^［31］。此外，植物根部會(huì)分泌檸檬酸、蘋果酸等有機(jī)酸以及呼吸作用形成的碳酸來溶解難溶性物質(zhì)以獲取銅，在銅離子被根部吸收后，再通過木質(zhì)部、韌皮部進(jìn)而到達(dá)地上部分^［32］。其中，木質(zhì)部加載可以分為質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑兩條。質(zhì)外體途徑通過細(xì)胞間隙進(jìn)行，是從土壤溶液擴(kuò)散到細(xì)胞間隙；共質(zhì)體途徑是由不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過細(xì)胞質(zhì)膜完成^［33］。銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（copper transporter）COPT1、COPT2定位于植物根尖質(zhì)膜，主要負(fù)責(zé)銅離子的吸收^［34］。COPT6同樣也是一種質(zhì)膜蛋白，主要在地上部分起吸收銅離子的作用^［35］。當(dāng)缺銅時(shí)，植物體內(nèi)COPT1、COPT2、COPT6轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，以增加銅離子的攝取^［36］，且COPT6在mRNA水平上的上升明顯高于COPT2^［37］。ZIP家族是陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，現(xiàn)已證明在Zn、Mn、Fe、Cu 4種必需微量營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用^［38］。ZIP家族有15個(gè)成員，其中只有ZIP2和ZIP4會(huì)受缺銅誘導(dǎo)使其轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)^［39］。研究顯示，擬南芥中P1B型重金屬ATP酶（heavy metal ATPase，HMA）具有介導(dǎo)潛在有毒金屬跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的能力^［40］。其中，HMA7（RAN1）定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要在根和花中表達(dá)^［41］，其功能是將銅傳遞到乙烯受體ETR1家族中^［42］。HMA6和HMA8則定位于葉綠體，負(fù)責(zé)葉綠體中的銅轉(zhuǎn)運(yùn)。HMA6負(fù)責(zé)將銅運(yùn)輸?shù)交|(zhì)，而HMA8負(fù)責(zé)將銅運(yùn)輸?shù)筋惸殷w以便合成質(zhì)體藍(lán)蛋白或?yàn)镃u/Zn-SOD提供輔助因子^［43］。黃色條紋蛋白YSL（yellow stripe-like protein）家族介導(dǎo)煙酰胺螯合的銅離子，在銅的長(zhǎng)距離運(yùn)輸中發(fā)揮功能^［44］。

植物根系對(duì)銅的吸收及其內(nèi)部運(yùn)輸和儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上均受到嚴(yán)格調(diào)控，以適應(yīng)各類不良環(huán)境^［45］。例如，在缺銅條件下為了維持銅穩(wěn)態(tài)，植物會(huì)增加細(xì)胞對(duì)銅的攝取并減少銅的使用。在擬南芥中，這2種機(jī)制都由保守的轉(zhuǎn)錄因子鱗狀啟動(dòng)子結(jié)合蛋白7（SPL7）調(diào)控。近期研究表明，SPL7主要在擬南芥維管系統(tǒng)中表達(dá)，并局部調(diào)節(jié)地上部分和地下部分對(duì)缺銅的反應(yīng)^［46］。除了SPL7之外，銅缺乏誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子1（CITF1，也稱為bHLH160）調(diào)節(jié)銅從根的吸收、傳遞到葉、花和花藥的過程^［22］。

3植物銅解毒機(jī)制

當(dāng)植物中的含銅量超標(biāo)時(shí)，會(huì)引起活性氧的快速積累，活性氧會(huì)破壞核酸、氧化蛋白并導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，從而影響細(xì)胞的諸多功能，產(chǎn)生毒害作用。植物抵御銅毒害主要有以下策略：①通過增加根系分泌物對(duì)土壤中的銅離子進(jìn)行螯合和沉淀，減少根部對(duì)銅離子的吸收；②以細(xì)胞壁為屏障，吸附過量的銅離子；③誘導(dǎo)銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)和重定位，在減少銅離子吸收的同時(shí)增加銅離子的外排；④將過量的銅離子隔離到液泡，降低胞質(zhì)中的銅含量；⑤利用不同類型的抗氧化劑來清除銅脅迫下產(chǎn)生的活性氧和自由基。

3.1根系分泌物

根系分泌物是多種化合物的混合物，包括初級(jí)和次級(jí)代謝物。植物通過不同類型的主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸將這些代謝物分泌到根際^［47］。主動(dòng)運(yùn)輸是由位于根質(zhì)膜中的蛋白（ABC家族和MATE家族）所介導(dǎo)^［48］，被動(dòng)運(yùn)輸分為擴(kuò)散、離子通道和囊泡運(yùn)輸三類。擴(kuò)散負(fù)責(zé)低分子物質(zhì)的釋放，例如糖、氨基酸、羧酸和酚類^［49］；離子通道負(fù)責(zé)碳水化合物和特定羧酸鹽（草酸鹽）的分泌^［50］；囊泡運(yùn)輸則是將高分子代謝物包裹在囊泡中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)^［50］。

當(dāng)處于銅脅迫下，根系分泌物成分會(huì)發(fā)生明顯變化，其中的有機(jī)酸成分可以通過促進(jìn)螯合來減少根系對(duì)銅離子的吸收，增加植物的銅抗性^［51-53］。研究表明，寬葉香蒲（Typha latifolia）在過量硫酸銅處理下，其根部的草酸、乙酸分泌物濃度在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速上升^［54］。用高銅處理會(huì)使毛竹（Phyllostachys pubescens）根部分泌大量的草酸和蘋果酸^［55］。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)銅處理會(huì)導(dǎo)致柑橘（Citrus L.）根表面積聚的沉積物中的蘋果酸鹽和檸檬酸鹽濃度升高^［51］。因此，這些有機(jī)酸也被稱為細(xì)胞內(nèi)的重金屬螯合劑，植物利用它們將過量的重金屬轉(zhuǎn)化為無活性或者無毒的形式來達(dá)到解毒效果。

3.2細(xì)胞壁的吸附作用

細(xì)胞壁是阻止重金屬離子進(jìn)入植物細(xì)胞的第一道屏障。細(xì)胞壁可以通過帶負(fù)電荷的基團(tuán)如果膠的—OH、—COOH、氨基和醛基團(tuán)結(jié)合銅離子，減少細(xì)胞對(duì)銅的吸收^［56］。苔蘚（Scopelophila cataractae）中，果膠能結(jié)合細(xì)胞壁中的銅，緩解過量銅的毒害作用^［57］。此外，有證據(jù)顯示，細(xì)胞壁中果膠的甲基酯化和乙?；潭扰c其對(duì)重金屬的親和力緊密相關(guān)。在石竹科植物（Silene paradoxa）中，耐銅性高的品種的細(xì)胞壁果膠含量相對(duì)較低，這與果膠的甲基酯化增加有關(guān)^［58］。此外，細(xì)胞壁中的木質(zhì)素可能在螯合重金屬中也發(fā)揮重要作用^［59-60］。研究表明，銅對(duì)木質(zhì)素的生物合成有積極影響^［61］。在暴露于高水平銅的人參（Panax ginseng C.A.Mey.）中，木質(zhì)素的生物合成表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)^［62］。

除了細(xì)胞壁的成分外，細(xì)胞壁的厚度在植物抵御重金屬毒害中同樣起到關(guān)鍵作用。研究表明，細(xì)胞壁增厚能夠?qū)㈦蓦召|(zhì)層與質(zhì)膜分離，而胼胝質(zhì)層是重金屬不可滲透的化合物，從而阻止重金屬進(jìn)入胞內(nèi)^［63］。在Cu²⁺的誘導(dǎo)下，柑橘根系細(xì)胞的細(xì)胞壁顯著增厚，減少Cu²⁺從根到地上的運(yùn)輸^［64］。過量銅也會(huì)使得綠藻（Chlorophyta）的細(xì)胞壁增厚，從而避免細(xì)胞出現(xiàn)損傷^［65］。以上研究都證明，增厚細(xì)胞壁能使植物有效減少銅的毒害^［66］。

3.3銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白豐度和活性的調(diào)控

植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中產(chǎn)生了一套依賴轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來迅速控制銅離子透過質(zhì)膜攝?。╱ptake）和外排（efflux）的系統(tǒng)，以維持體內(nèi)銅穩(wěn)態(tài)^［67］。植物細(xì)胞的銅攝取主要依賴于對(duì)銅具有高親和力和專一性的銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白COPT家族^［34］。擬南芥中COPT家族包含6個(gè)成員：AtCOPT1～6。過量銅條件下，擬南芥AtCOPT1和AtCOPT2的轉(zhuǎn)錄受到抑制^［68］，并且已有的AtCOPT1和AtCOPT2蛋白會(huì)通過蛋白酶體途徑降解，從而降低它們的質(zhì)膜豐度，減少細(xì)胞對(duì)銅的攝取^［69-70］。擬南芥YSL家族中的AtYSL1和AtYSL3定位于質(zhì)膜，當(dāng)過表達(dá)AtYSL1和AtYSL3時(shí)植物地上部分的銅含量高于野生型，證明AtYSL1和AtYSL3介導(dǎo)銅從根系轉(zhuǎn)移到地上部分^［71］。而在過量銅刺激下，AtYSL1和AtYSL3轉(zhuǎn)錄水平會(huì)受到SUMO E3連接酶SIZ1的調(diào)控而明顯下降，進(jìn)而抑制銅在植物體內(nèi)的運(yùn)輸^［72］。

擬南芥基因組編碼8個(gè)HMA蛋白：HMA1～8^［73］，其中HMA5～HMA8與細(xì)胞內(nèi)銅的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)^［21］。近年來的研究結(jié)果表明，AtHMA5能將銅離子排出細(xì)胞，是調(diào)控植物銅穩(wěn)態(tài)的重要功能蛋白^［74］。擬南芥HMA5功能缺失突變體在銅脅迫處理試驗(yàn)中其5 d苗和土上3周植株都明顯小于野生型，表現(xiàn)出對(duì)銅毒害超敏感，證明HMA5是植物耐銅性的關(guān)鍵基因^［75］。Li等^［76］對(duì)HMA5在植物抗銅毒害中的功能做了進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在正常培養(yǎng)條件下根部細(xì)胞中的AtHMA5定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而一旦感知到銅脅迫，這些AtHMA5會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完成從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到胞內(nèi)小體再到質(zhì)膜的定位變化，并且它們?cè)谫|(zhì)膜上明顯聚集在靠近土壤一側(cè)，以便將多余的銅離子排出植物體外。待銅離子含量恢復(fù)到正常范圍后，質(zhì)膜上的AtHMA5通過內(nèi)吞（endocytosis）途徑進(jìn)入胞內(nèi)，之后它們重新回到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或者被運(yùn)輸?shù)揭号萁到狻３薍MA外，植物中還存在一類銅伴侶蛋白，它們能結(jié)合胞內(nèi)的銅離子并將其傳遞給特定的銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白^［77］。擬南芥銅伴侶蛋白ATX1（antioxidant protein1）和CCH（ATX1-like Cu chaperone）功能缺失突變體表現(xiàn)出對(duì)過量銅敏感，而AtATX1過表達(dá)則使植物對(duì)銅的耐受性顯著增加，表明ATX1參與調(diào)控植物耐銅性^［78-79］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥ATX1和CCH能夠與HMA5的金屬結(jié)合域互作，暗示兩者在銅解毒機(jī)制上存在關(guān)聯(lián)^［74］。確實(shí)，之后水稻（Oryza sativa）中的研究證明OsATX1可以與OsHMA4、OsHMA5、OsHMA6和OsHMA9協(xié)同調(diào)控植物各組織中銅的分布^［79］。

3.4液泡的區(qū)隔化作用

在成熟的植物細(xì)胞中，液泡是儲(chǔ)存離子和代謝物的最大細(xì)胞器，也是許多重金屬運(yùn)輸?shù)淖罱K目的地，它所含有的多種有機(jī)酸堿、蛋白質(zhì)等物質(zhì)可以與重金屬結(jié)合從而削弱其對(duì)細(xì)胞的傷害，對(duì)植物緩解重金屬毒性至關(guān)重要。水稻、小麥（Triticum aestivum L.）、大麥（Hordeum vulgare L）、洋蔥（Allium cepa L.）等植物均會(huì)通過改變液泡的形態(tài)和數(shù)量來應(yīng)對(duì)環(huán)境中的重金屬脅迫^［80-85］。

透射電子顯微鏡和EELS（electron energy loss spectroscopy）分析顯示，銅處理后大蒜細(xì)胞中出現(xiàn)了含銅的電子致密顆粒，其中根尖細(xì)胞的液泡是主要的銅積累位點(diǎn)^［82］。駱駝刺（Alhagi camelorum Fisch）則是通過將銅離子運(yùn)輸?shù)饺~片中的液泡隔離來適應(yīng)高銅環(huán)境^［86］。水稻中P型ATP酶OsHMA4定位在液泡膜，銅脅迫處理會(huì)誘導(dǎo)OsHMA4在根部的表達(dá)顯著升高^［87］，暗示金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在銅離子隔離到液泡的過程中可能起關(guān)鍵作用。

3.5抗氧化劑的作用

過量銅會(huì)產(chǎn)生ROS反應(yīng)，ROS反應(yīng)會(huì)催化有害自由基的產(chǎn)生^［15］。銅脅迫下，植物會(huì)利用抗氧化酶清除這些有害自由基，這些抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POX）和過氧化氫酶（CAT）^［88］。研究表明，50 μmol/L CuSO4處理下，向日葵（Helianthus annuus L.）幼苗根系中總抗氧化酶活性升高^［89］。小麥葉片中所有過氧化酶（抗壞血酸過氧化物酶，APOD；愈創(chuàng)木酚過氧化物酶，GPOD；丁香氮嗪過氧化物酶，SPOD）都能被高濃度銅處理誘導(dǎo)升高，并且根中的SPOD、GPOD、APOD和SOD的酶活性明顯高于葉片^［90］。1 μmol/L CuSO4明顯誘導(dǎo)了蘿卜（Raphanus sativus）根系中過氧化物酶（POD）的活性升高^［91］。100 μmol/L CuSO4處理?xiàng)l件下，水培生長(zhǎng)12 d的水稻幼苗中超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、單脫氫抗壞血酸還原酶（MDHAR）等過氧化酶活性顯著增加^［92］。300 μmol/L CuSO4條件下，擬南芥植株中SOD和POX活性增加，但CAT活性降低^［93］。玉米（Zea mays L.）植株用100 μmol/L CuSO4處理24 h后，葉片中SOD、CAT和AP活性增加^［94］。銅脅迫誘導(dǎo)金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）中SOD、APX和CAT酶的過量產(chǎn)生^［95］，以及浮萍（Lemna minor）中CAT、POD和APX的活性增加^［96］。

除了上述抗氧化酶外，植物體內(nèi)還有許多非酶抗氧化劑也在解銅毒害中發(fā)揮重要作用。當(dāng)胞質(zhì)中的銅離子過量時(shí)，植物可通過特定的螯合劑與多余游離銅離子形成無毒復(fù)合物，再將其隔離到對(duì)銅離子不敏感的部位。銅離子的首選配體是硫醇基，硫醇基存在于谷胱甘肽（GSH）、植物螯合素（PC）以及金屬硫蛋白（MTs）的半胱氨基殘基中^［97］。GSH作為抗氧化劑屏障的一部分，參與許多氧化還原反應(yīng)，可與ROS反應(yīng)，防止敏感的細(xì)胞成分被過度氧化。PC可以螯合胞外的銅離子，降低銅的生物利用度并減弱其穿過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的能力^［98］。研究表明，水稻幼苗銅處理48 h后，GSH和PC含量顯著增加，且施加外源GSH可減少銅誘導(dǎo)的有害自由基的產(chǎn)生^［92］。在培養(yǎng)液中添加400 μmol/L的Cu²⁺會(huì)導(dǎo)致希臘鼠尾草（S.fruticose）中GSH含量的減少和PC含量的增加^［99］。銅脅迫條件下，雙對(duì)柵藻（Scenedesmus bijugatus）中GSH的含量隨時(shí)間遞增^［100］。此外，GSH和PC還參與扁滸苔（U.compressa）對(duì)銅的耐性，用10 μmol/L Cu²⁺處理后扁滸苔的GSH在第5天上升至最高水平，PC含量在第7天達(dá)到峰值^［101］。MTs是一類低分子量、富含半胱氨酸（Cys）的金屬結(jié)合蛋白。植物MTs可以通過Cys硫醇基團(tuán)螯合包括銅在內(nèi)的金屬離子，保護(hù)細(xì)胞免受重金屬的毒害^［102］。研究表明，將來自甘藍(lán)（Brassica oleracea var.capitata L.）、水稻和乳鳶尾（Iris tectorum Maxim.）的MTs基因過表達(dá)至擬南芥中，這些轉(zhuǎn)基因植株對(duì)銅脅迫均表現(xiàn)出更大的耐受性^［103］。在用100 μmol/L Cu²⁺處理的水稻胚根中，表達(dá)OsMT基因組顯著高于對(duì)照組，且OsMT轉(zhuǎn)錄水平的提高可以明顯改善水稻懸浮細(xì)胞對(duì)銅的耐受性^［104］。另外，Elsholtzia haichowensis metallothionein 1（EhMT）過表達(dá)至煙草中，使其具有更有效的抗氧化系統(tǒng)、更高的過氧化物酶活性，可以更好地應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激，具有更強(qiáng)的銅耐受性^［105］。

4研究展望

隨著人類對(duì)銅礦的開采、含銅化合物的生產(chǎn)、生活廢水的排放以及農(nóng)藥、化肥的使用等，土壤中的銅含量已經(jīng)逐漸超過植物耐受范圍，造成其生長(zhǎng)發(fā)育受阻，并終將影響人類自身健康。如何提高植物的耐銅性來增加作物產(chǎn)量，以及研發(fā)富集銅植物用以修復(fù)銅污染土地是當(dāng)前亟待解決的科學(xué)問題。盡管人們對(duì)植物抵御銅脅迫的多種抗性機(jī)制有了一定程度的了解，但仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知。只有深入探究其內(nèi)在的分子機(jī)理，才能更有效地利用基因工程等手段全方面改善植物對(duì)銅的解毒能力。綜合目前國內(nèi)外研究進(jìn)展，筆者推測(cè)囊泡運(yùn)輸（vesicletrafficking）可能在植物銅抗性中發(fā)揮基礎(chǔ)作用，統(tǒng)籌調(diào)控著植物對(duì)外界銅濃度的響應(yīng)。

囊泡運(yùn)輸是指細(xì)胞中的蛋白質(zhì)等大分子被脂雙層包裹起來形成囊泡，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的一類運(yùn)輸機(jī)制，廣泛存在于真核生物中^{［106-108］}。越來越多的證據(jù)表明，囊泡運(yùn)輸在植物響應(yīng)各類環(huán)境脅迫中發(fā)揮重要作用^{［109-113］}，但目前對(duì)其在植物抗銅性中的研究極其匱乏。細(xì)胞壁的增厚有利于植物抵抗銅脅迫，而合成細(xì)胞壁所需的纖維素酶在質(zhì)膜的豐度受網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)內(nèi)吞（clathrin-mediated endocytosis，CME）的調(diào)控^［114］。植物根系分泌物響應(yīng)銅濃度同樣需要依賴囊泡運(yùn)輸中的分泌途徑（secretory pathway）將這些物質(zhì)運(yùn)送到根表皮外^{［49，115］}。此外，植物生長(zhǎng)素能促進(jìn)抗氧化劑谷胱甘肽GSH的合成^［116］，而生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)的分布又與囊泡運(yùn)輸調(diào)控的生長(zhǎng)素輸出載體PIN蛋白的定位和豐度密切相關(guān)^{［117-119］}。值得注意的是，調(diào)節(jié)各類銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在細(xì)胞中的分布很可能是囊泡運(yùn)輸在植物抗銅脅迫中發(fā)揮作用的另一種重要方式。類似機(jī)制已經(jīng)在植物對(duì)硼（Boron）元素的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn)：植物利用CME和液泡轉(zhuǎn)運(yùn)（vacuolar trafficking）2種囊泡運(yùn)輸途徑協(xié)同調(diào)控硼輸入載體NIP5；1（Nodulin 26-like intrinsic protein 5；1）和輸出載體BOR1在質(zhì)膜的定位和豐度，以適應(yīng)環(huán)境中硼濃度的變化^{［120-122］}。擬南芥AtHMA5受到銅離子刺激后，其定位從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到胞內(nèi)小體再到質(zhì)膜的轉(zhuǎn)變，以及銅脅迫解除后到液泡的降解^［76］，這些細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)象更是有力地證明了囊泡運(yùn)輸可以通過調(diào)控這些銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的動(dòng)態(tài)定位來維持銅穩(wěn)態(tài)。在之后的研究中，應(yīng)該將探索囊泡運(yùn)輸提高植物耐銅性的分子機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，以更全面的視角系統(tǒng)地將植物抗銅毒害機(jī)制整合串聯(lián)起來，為耐銅植物的培育提供新的思路和理論參考。參考文獻(xiàn)

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