緩解植物重金屬脅迫傷害的途徑及其機理

姚 慧，蔡慶生

(南京農業大學 生命科學學院，江蘇 南京 210095)

土壤是人類賴以生存的重要資源，它對環境的變化具有高度敏感性。隨著工農業的發展，許多重金屬污染物通過大氣沉降、地礦滲漏及工業廢水、生活污水等途徑進入土壤［1］，使土壤中富集過多的重金屬。重金屬指比重大于4或5的金屬，約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、釩、鈮、鉭、鈦、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。這些金屬元素如超過背景含量，就可能導致植物生長受到抑制、發育異常甚至中毒死亡，所以在重金屬高度污染的地區很難有植物能生長存活，造成土地浪費。前人研究表明，金屬對植物的毒性可能是金屬和蛋白中的巰基結合而導致蛋白質活性的抑制或結構的破壞，也可能是由于蛋白中的關鍵元件被取代造成缺陷影響［2］，或者是金屬離子對植物代謝造成的次級脅迫。近年來，科學工作者做了很多的研究工作來探索提高植物體內重金屬抗逆性的方法，希望能實現重金屬污染土地的再利用。本文介紹幾種提高植物重金屬耐受性的方法。

1 礦質元素對植物重金屬耐受性的影響

某些礦質元素能增強植物對特定重金屬脅迫的耐受性，例如硫、鉀可以減輕植物受銅脅迫的程度;鈣和硅能夠降低過量鋁離子對植物的傷害;硼、硒等礦質元素對植物抗鉛污染有很好的促進作用。這些礦質元素都是植物生長的必需元素，其增強植物對重金屬耐受性的機理是通過增加植物的必需元素的攝入量，使植物生長更旺盛，抗逆性增強，從而增強植物抗重金屬脅迫的能力。

1.1 對植物抗銅脅迫的影響

研究表明，礦質元素硫和鉀能減輕植物受銅脅迫的程度。王海鷗等［3］在提高水稻的銅耐受性實驗中發現，較高濃度的硫 (10 mmol·L-1)能抑制植物根部對銅的吸收積累，還可以激活抗氧化酶類活性，消除脅迫產生的膜脂過氧化脅迫，因此能較快降低銅離子毒性。GSH(谷胱甘肽)和 Cys(半胱氨酸)等小分子巰基化合物的存在也可以緩解重金屬毒害。除硫以外，外源鉀亦可減輕植物受銅脅迫的程度。陳雪梅等［4］發現，鉀能明顯提高銅脅迫下三葉草種子的萌發率，促進幼苗生長，使生物量、光合色素含量顯著增加，同時幼苗葉片細胞膜透性顯著下降，表明鉀對三葉草的銅毒害有緩解作用。

1.2 對植物抗鋁脅迫的影響

鈣和硅對增強植物抗鋁脅迫的能力也有很好的效果。席玉英等［5］研究證明，鈣、鋅能抑制玉米幼苗對鎘、鉛的吸收和運輸。鈣離子能夠穩定細胞膜，對于鋁過量引起的破壞植物細胞膜結構和功能的情況有很好的抑制作用。然而鈣增強植物抗鋁脅迫能力的機制仍有爭議:一部分人認為，A13+脅迫下Ca2+能增強玉米幼苗保護酶 SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過氧化物酶)和CAT(過氧化氫酶)的活性，從而減少自由基的積累，降低鋁離子脅迫的傷害［6］;另一部分人認為，根細胞鈣含量增加能夠提高根系液泡膜 H+-ATPase，H+-PPase，Ca2+-ATPase活性，減輕鋁對細胞正常功能的影響，降低鋁毒害作用［7］;還有人認為，鋁離子和鈣離子對保護酶活性的拮抗關系可能與兩者競爭結合鈣調素 (CaM)的結合位點有關，兩者通過影響CaM的結構與功能從而影響到靶酶的活性。究竟何種說法正確至今尚無定論。鈣不僅能緩解鋁毒害作用，還能降低土壤中銅、鎘、鉛等重金屬的污染程度［8］。此外，硅也能緩解鋁對水稻的毒害，且對鋁敏感品種比耐鋁品種效果更好［9］。硅通過促進植物生長、局部化和鈍化重金屬離子來緩解重金屬對植物的毒害，其作用機理是可溶性硅酸鹽在水溶液中水解生成凝膠狀H4SiO4，從而吸附有毒金屬離子及其他有害物質［10］。在農田中施加硅肥不僅能增加作物產量，改善作物品質，還能有效地防止鎘元素對農作物的污染［11］。

1.3 對植物抗鉛脅迫的影響

硼和硒能夠影響植物抗鉛脅迫的能力。王學以水生植物蜈蚣萍為實驗材料研究發現，施加外源硼能有效緩解鉛毒害。鉛對植物的毒害機理是隨著鉛濃度的升高，植物體內葉綠素和可溶性蛋白含量逐漸下降，抗氧化酶系統的平衡被打破，過氧化根離子產生速率急劇上升。而外施硼有效維持了抗氧化酶系統的平衡，降低了過氧化根離子產生速率，并提高了鉛脅迫下蜈蚣萍葉內可溶性蛋白和葉綠素含量，從而緩解植物所受的鉛毒害［12］。另外，硒元素也能緩解植物鉛脅迫。劉燕等［13］研究表明，低硒濃度有利于緩解鉛對油菜重金屬毒害作用，促進油菜的根冠比、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、葉綠素含量的增加，促進油菜的生長;但是高硒濃度則會降低油菜的各種生理活性，阻礙其生長。

2 植物生長調節物質對植物重金屬耐受性的影響

植物生長調節物質如脫落酸 (ABA)、水楊酸等，能通過調節植物的生長狀況來改善重金屬脅迫下植物的生長狀況，增強其抗逆性。脫落酸是一種植物內源激素，它能誘導植物對低溫、鹽害、重金屬等非生物脅迫的抗性，趙鸝等［14］研究發現施加外源ABA，能有效恢復汞脅迫下種子萌發活力，增強植物的抗逆性。水楊酸作為一種植物生長調節物質，也能影響植物對重金屬的耐受性。陳珍等［15］研究表明植物在重金屬脅迫下，利用水楊酸處理或預處理都能促進植物的生長，降低質膜透性，減少丙二醛的積累，促進根系生長，使其能正常發揮吸收功能，并推測水楊酸可能通過參與調節光合作用速率和效率來增強植物對重金屬脅迫的抗性。

3 微生物對植物抗重金屬能力的影響

在長期受重金屬脅迫的土壤中，某些種類微生物 (細菌、真菌等)能產生抗性來減輕重金屬的毒害作用。在植物根際-微生物系統中，微生物可分泌出質子、有機物質、酶等，對土壤中的重金屬起活化作用［16］，如某些細菌分泌出的酸性磷酸酶，對重金屬有很強的活化作用［17］。細菌、真菌、內生菌根和外生菌根對重金屬有吸收和吸附的作用，微生物吸收重金屬后、代謝分泌物與重金屬結合后，改變了重金屬的形態，如離子態的重金屬形成金屬-有機物結合態，減輕了重金屬在土壤中的毒性［18］。目前微生物強化植物修復方面的研究多集中于菌根真菌的研究，菌根真菌是改進超富集植物修復性能的有效手段，在修復遭受重金屬污染的土壤方面發揮特殊的作用［19］。菌根減輕了植物在重金屬污染土壤中的受害程度，對于植物抵抗重金屬傷害至為重要［20］。通過篩選重金屬鉛鎘抗性菌株、增強植物抗重金屬能力來實現強化植物修復鉛鎘污染土壤是非常有效的手段［21］。

4 基因工程強化植物修復重金屬污染土壤能力

通過基因工程技術提高植物對重金屬的耐受能力，增加或減少重金屬在植物體內的累積量，是進行污染土壤的生態恢復以及減少食物鏈重金屬污染的有效途徑。支力峰等［22］研究發現，過量表達脯氨酸的轉基因煙草細胞對毒性重金屬的抗性有所增強。該實驗利用轉基因技術將飛蛾豆p5cs基因整合到煙草細胞基因組中，并在轉基因煙草中得以表達。轉基因煙草細胞中的脯氨酸含量比野生型細胞提高了80%，在毒性鎘脅迫下生長情況比野生型好。其原理是當遭受重金屬毒害時，植物細胞會大量積累脯氨酸，而脯氨酸能夠緩解細胞質酸度，防止細胞質酸中毒，還能將NADP+/NADPH的比值維持在代謝速率水平［23］。在野生型細胞內鎘大量積累而無法清除，細胞中自由基增多，導致蛋白質、脂類及其他生物分子發生非特異性破壞［24］;而轉基因煙草的細胞質中由于鎘所引起的自由基能被脯氨酸清除。該實驗說明脯氨酸直接充當抗氧化劑，保護細胞免受自由基的損傷，并維持細胞較還原的細胞質狀態，即高GSH水平。GSH與Cd的絡合物 (GS-Cd)作為植物重金屬螯合肽PC合成的底物，促進PC大量合成，PC與鎘螯合，從而將鎘從細胞中清除［25］。柴團耀等［26］研究發現，將重金屬特異誘導基因PvSR2(法國菜豆中克隆產生)導入到煙草中后，與野生型煙草相比，PvSR2轉基因煙草具有抗重金屬鎘的能力。在鎘脅迫下，轉基因煙草植株的根長和生物量都比對照組大，鎘在根部及葉片內的累積比對照少，表明PvSR2基因過量表達可能有助于提高植物抗重金屬的能力［27］。其對重金屬毒害的防御機制是利用PC和金屬硫蛋白 (MT)等金屬螯合物與重金屬螯合形成復合物，使金屬離子失活，降低毒性［28］。

5 其他提高植物重金屬耐受性的方法

除上述之外，還可通過其他途徑來提高植物抗重金屬能力。例如渾河水、外源亞精胺、外源有機酸的合理使用能增強植物耐鎘脅迫的能力，稀土元素也可以增強植物對重金屬的耐受性。

邱晨曦等［29］的研究表明渾河水能增強玉米植株對鎘的耐受性。其作用機制是渾河水通過誘導玉米細胞內的超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)和過氧化氫酶 (CAT)活性而使植株對鎘的耐受性增強，達到修復重金屬污染土壤的目的。有研究表明，外施亞精胺可明顯提高植物對重金屬脅迫的耐受水平［30］。徐勤松等［31］通過槐葉萍實驗，證明在重金屬Cd的脅迫下，外源亞精胺(Spd)通過維持槐葉萍抗氧化系統的較高活性或含量，從而有效減少活性氧對葉綠素分子的過氧化損傷，促進蛋白質合成或抑制其分解，緩解了鎘對槐葉萍的污染脅迫，提高了對鎘的耐受性，從而增強植物適應重金屬逆境的能力。另外，施加某些外源有機酸也能增強植物抗鎘脅迫的能力。Blaylock等［32］通過實驗證明，添加 EDTA、DTPA和檸檬酸等有機酸能使印度芥菜地上部鎘含量顯著提高。原海燕等［33］研究發現施加外源有機酸EDTA、檸檬酸對馬藺修復鎘污染有很大的潛力，其反應機理是有機酸的添加加劇了馬藺葉片膜脂過氧化程度，導致MDA(丙二醛)含量增加，SOD和POD活性隨之升高，從而增強了馬藺抗氧化脅迫能力，使生理抗性增強。稀土元素對于增強植物重金屬耐受性也有很大的作用。郜紅建等［34］認為某些稀土元素 (La等)能減輕重金屬污染，其作用機理是阻止植株對鉛的吸收，降低其在體內的富集，從而減輕引發的膜脂過氧化反應，同時通過對光合作用、硝酸還原酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物岐化酶三大保護酶及質膜穩定性等生理功能的調控，增強植物的抗逆性。稀土具有高效、低成本、低毒等特點，它對植物紫外輻射、鹽脅迫、酸雨脅迫、重金屬脅迫等都有很大的緩解作用，應用前景廣闊［35］。

此外，在水稻生產中，還可以通過翻耕、客土與換土、施用改良劑和植物修復等方法來降低土壤中重金屬的含量。

6 小結

近年來，地球上的土壤重金屬污染越來越嚴重，污染面積越來越大。要利用污染土地資源種植作物，就需不斷探索增強植物重金屬耐受性的方法。本文綜述的方法有些已經比較成熟，有些仍存在疑問，如鈣離子提高植物對鋁脅迫耐受性的作用機理至今仍眾說紛紜，未有定論。相信隨著研究的深入，將會有更多更完善的方法應用到實際生產中，造福于人類。

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