玉米對鎘的轉運、積累機制及其生理響應

沈天爾 施 潔 胡盈盈 顧家家 郭燕萍 廖芳蕾 陳文榮

(浙江師范大學化學與生命科學學院，金華 321001)

重金屬元素鎘(Cd)并非植物必需微量元素，但其能在植物體內積累，并對植物生長發育造成負面影響。如外源Cd脅迫將導致玉米生物量減少、產量降低、形態結構和生理生化屬性的改變等[1]，玉米可啟動相關響應機制以阻滯重金屬元素Cd的運輸。關于Cd在植物中的轉運、積累和調控機制已經成為植物生理學領域的研究熱點[2]。本文重點從共質體和質外體途徑、長距離與短距離運輸的空間角度，介紹Cd在玉米各部的移動途徑及移動過程中的積累機制，并對玉米部分鎘相關轉運蛋白進行了預測。同時，對Cd作用于玉米生理活動的影響及機理進行歸納，簡明概述了玉米生產中的Cd污染緩解技術，以期為將來的研究和生產提供新的思路與方法。

1 玉米對鎘轉運與積累的相關機理

耕地Cd的污染是玉米鎘積累的直接來源，故Cd運輸的總體方向為從形態學下端到形態學上端，Cd元素積累特點則表現為：根>莖葉>籽粒[3]。植物長距離運輸主要依賴于維管束，而Cd從根表皮到中柱之前的運輸過程則是植物的短距離運輸。

1.1 鎘的短距離運輸

根是植物貯存和固定Cd的重要器官，玉米根系對Cd具有高積累的特點[3]。物質在植物體內的短距離運輸包括質外體途徑和共質體途徑。離子和水分可以經阻力較小的質外體途徑實現根部的徑向運輸，但當質外體途徑受到凱氏帶阻礙時，Cd2+可以跨膜進入細胞，轉而進行共質體途徑的運輸[4]。王曉娟等[4]發現Cd可通過質外體和共質體兩種途徑進入玉米幼苗根木質部。

1.1.1 通過質外體途徑的鎘運輸與積累

質外體途徑對Cd2+的運輸阻力較小，帶正電荷的Cd2+移動時將在一定程度上受到細胞壁陰離子的吸附[5]。同時，在Cd刺激下玉米根細胞壁組分將發生改變。代謝組學研究顯示，Cd刺激顯著提高了玉米根部細胞壁中堿溶性多糖組分，并改變多糖組分與纖維素、木質素的比例以及酚類物質含量[6]。Vatehová等[6]認為這種細胞壁組分的變化是玉米應對鎘脅迫的一種防御機制。進一步的研究表明，Cd處理將誘導產生大量細胞壁多糖并參與凱氏帶的形成[7]，因此Cd誘導的玉米根細胞木質化可能為Cd防御系統的內在機理之一。

Cd在經質外體途徑進入玉米中柱的過程中，Cd的刺激將導致玉米根細胞向外分泌富含半胱氨酸殘基的植物螯合素，使根系中的Cd主要積累于質外體中[8]。早期研究發現，用不同濃度Cd(1、10 μmol/L)對玉米幼苗進行短期處理后，積累于根細胞質外體的Cd含量高于原生質體[9]。通過根細胞的Cd分餾技術，Nocito等[10]對水稻(OryzasativaL.)的實驗嚴格地證明了Cd脅迫將促進水稻根部植物螯合素的生物合成，而這些含巰基的化合物通過螯合作用顯著地提高了Cd在根部的積累。經植物螯合素螯合后，玉米根部的Cd元素與植物螯合素或者其他相關巰基化合物形成分子量不等的復合物[11]，其中，高分子量復合物和低分子量復合物中Cd元素的含量及其在二者中所占的比例與外源Cd濃度[10]及作物種類關系密切[11]，但鑒于低分子量向高分子量復合物的轉化主要發生在液泡中，且高分子量復合物的形成對Cd2+螯合具有更高的貢獻率[12]，因此高分子量復合物在Cd的液泡區隔化作用中發揮更為主要的作用。

1.1.2 通過共質體途徑的鎘運輸與積累

由于玉米根中凱氏帶的存在，Cd短距離運輸仍需經歷共質體途徑進入胞內。對單個細胞而言，轉運蛋白和通道蛋白的運輸是Cd2+跨膜進入共質體的主要方式；而在共質體中移動時，Cd的主要存在形態有離子以及含Cd配合物。植物細胞分泌的植物螯合素除了在質外體途徑中阻遏Cd移動，在共質體中也有類似作用。液泡是植物區隔化Cd的最重要區域，這也是植物對Cd脅迫耐受機制的一部分[13]。對于Cd2+在植物細胞質基質和液泡中的螯合機理及Cd-植物螯合素的存在形態，Verbruggen等[14]已進行了詳細描述。然而，不論Cd以何種形態經共質體途徑運輸，都離不開轉運蛋白或通道蛋白的參與。

與Cd2+跨膜運輸相關的通道主要包括Ca2+通道和K+通道。Kurtyka等[15]的Ca2+通道阻斷實驗顯示，Cd2+可通過定位在玉米細胞膜上的Ca2+通道進入原生質體。研究表明，外源Cd刺激誘發的膜電位超極化將提高Ca2+通道對Cd的滲透性[15]。近期，對水稻的研究也顯示，Ca2+通道AAN4、GLR3.4對Cd流入和吸收具有重要作用，且Ca2+對Cd進入細胞可能產生競爭性抑制作用[16]。K+是植物的必需大量元素且在植物逆境生理中扮演重要角色，因此K+通道對Cd的滲透性問題值得關注，但目前鮮有研究在植物中嚴格證實K+通道或轉運子對Cd具有轉運能力[16]。

Cd的跨膜運輸還可依靠轉運蛋白對其的轉運。天然抗性相關巨噬細胞蛋白(NRAMP)、鋅/鐵轉運蛋白(ZIP)等轉運蛋白能夠轉運以離子形態存在的重金屬Cd，而ATP結合盒轉運蛋白(ABC)和黃色條紋轉運蛋白(YSL)除了具有Cd2+轉運能力，部分成員還能轉運含Cd復合物[2]。

目前，在玉米中已克隆出9個ZmZIP家族基因，該家族蛋白的一級結構包含359～490個氨基酸殘基，6～9個跨膜結構域，在跨膜域3、4之間存在1個可變域，且所有的ZmZIP均定位于質膜及內質網上[17]。然而，目前對ZmZIP家族蛋白的研究僅限于對Fe2+、Zn2+的轉運功能，而對Cd2+運輸作用的研究目前鮮有報道。在植物中，對Cd轉運具有專一性的轉運子也尚未被發現。

NRAMP是另一個重要的轉運蛋白家族，它廣泛存在于酵母、植物、哺乳類動物中[18]。Sharma等[19]通過對玉米基因組的SSR和SNP分析，鑒定出16個來自玉米的NRAMP家族候選基因；近期也有研究通過QTL分析，鑒定得到2個ZmNRAMP家族的候選基因[20]。目前，已經在水稻、高粱、擬南芥等植物中發現了NRAMP家族蛋白對Cd2+的轉運作用[21]，但對于玉米ZmNRAMP轉運子的研究仍處于起步階段，鮮有對ZmNRAMP家族基因進行克隆的相關報道。

ABC是目前發現存在于幾乎所有生命體中的成員最多的蛋白超級家族之一。Pang等[22]將玉米130個ABC蛋白進行了歸納，并對其分類、基本結構、典型功能等進行了概括性描述，其中，具有轉運功能的ABC蛋白可分為5個亞家族，而ZmABCC亞家族、ZmABCG亞家族則可能對Cd具有轉運能力，然而，目前玉米各ABC亞家族蛋白對Cd的轉運功能尚未被驗證。表1是基于已有研究對ZmZIP、ZmNRANP和ZmABC基因家族的系統進化分析，對部分Cd2+相關轉運子功能進行的功能預測。

玉米中的另一個轉運蛋白ZmYS1也具對Cd配合物的轉運作用。ZmYS1最早被認為是鐵離子-植物鐵載體的轉運體[29]，Schaaf對玉米YS1蛋白的研究表明，ZmYS1轉運子可以將與鐵離子-植物鐵載體運入細胞，同時該研究還發現植物鐵載體的類似物煙草胺與重金屬的螯合產物能被ZmYS1編碼的質子耦合轉運子雙向轉運[30]；此外，Ueno等[31]也對ZmYS1轉運Fe等金屬元素的生物學功能進行了驗證。

1.2 鎘的長距離運輸

雖然Cd在玉米根系中的短距離運輸受到一定阻滯，但仍會有重金屬Cd流入維管束并進行長距離運輸[10]，這一過程主要依靠維管束中的木質部和韌皮部。

玉米對Cd積累的調控，也表現在木質部的運輸上。區別于Cu、Zn等必需微量元素，有毒金屬Cd在玉米木質部中的運輸不完全由蒸騰拉力所引起的水流決定，因而表現出Cd向芽的分配減少，Nguyen等[32]認為產生這種現象的原因是部分Cd被重新分配而向下運輸。極低濃度Cd(0.8、20 nmol/L)就能啟動玉米長距離運輸中對重金屬元素Cd的排除機制[32]。Yamaguchi等[33]發現，在水稻等單子葉植物的維管束叢中，木質部和韌皮部存在明顯的物質交換，這種從木質部到韌皮部的物質交換可能是在長距離運輸過程中將Cd重新分配到根部的重要機制。

因為籽粒中的Cd積累絕大部分來自于韌皮部[34]，故韌皮部運輸在金屬離子向籽粒移動的過程中起主導作用，而由于生殖器官有限的蒸騰作用，木質部運輸則起次要作用。有報道顯示，韌皮部中存在谷胱甘肽、植物螯合素、煙草胺[35]等典型重金屬離子螯合劑，它們在Cd的韌皮部運輸中發揮Cd載體的作用。近期，Shimo等[36]在新發現的Cd低積累水稻品系中定位了位于韌皮部伴胞上的LCD蛋白，該蛋白可能與Cd的韌皮部運輸有關。同時，水稻籽粒中的Cd積累與韌皮部汁液中的Cd濃度密切相關[37]，Yan等[38]發現，韌皮部的Cd裝載與卸載是水稻籽粒Cd積累的主要途徑。然而，關于韌皮部Cd裝載和卸載的機理仍不清楚，且對于Cd在玉米韌皮部中運輸的相關研究鮮有報道。作為作物籽粒Cd積累的主要途徑，韌皮部運輸直接影響著鎘污染背景下糧食的安全生產，相關研究亟待跟進。

2 鎘脅迫下玉米的生理響應

在Cd污染的生境中，對Cd的吸收和轉運積累將誘發玉米葉片黃化、植株地上和地下的生物量生長受阻等一系列生理響應；基于近年來的相關研究，Cd脅迫對玉米形態的影響主要源于Cd對內源性植物激素水平的干擾、光合作用的影響以及水分與養分吸收的抑制等方面。

相較其他糧食作物，玉米在Cd脅迫下的生理響應具有一定特殊性。與水稻相比，玉米雖然對外源Cd積累水平較低，但對Cd脅迫的敏感程度更高。水稻的Cd致死濃度高于500 μmol/L[39]，而玉米在200～250 μmol/L的外源Cd處理下即出現致死效應[40,41]。大麥(HordeumvulgareL.)雖然在Cd脅迫的致死濃度上與玉米接近，但在80、250 μmol/L外源Cd處理下玉米葉片光合蛋白含量顯著降低，而大麥則僅略有降低，這可能是由于玉米是C4植物而具有區別于C3植物的碳同化機制[41]；而從Cd脅迫對植物體抗氧化生理影響的角度，小麥(TriticumaestivumL.)對Cd脅迫的生理響應較玉米更為劇烈。因此，水稻、玉米和小麥3種主要糧食作物對重金屬Cd脅迫的生理敏感程度總體呈現出小麥>玉米>水稻的趨勢。

2.1 對內源植物激素的影響

外源Cd對玉米激素分泌水平產生影響，普遍表現為低濃度時促進，而高濃度時抑制。在Cd處理與生長素分泌相關性方面，Yue等[42]的研究發現，在Cd脅迫下，玉米的Cd應答基因與生長素合成、轉運以及下游響應基因的轉錄豐度及表達部位具有一致性。隨著Cd濃度的提高(25～50 μmol/L)，游離態生長素的含量呈現降低趨勢，生長素氧化酶活性不斷上調。對玉米生長素響應正調控因子GH3(Gretchen Hagen3)基因家族的研究顯示，高濃度Cd脅迫(50 μmol/L)能抑制該家族大部分基因在玉米根中的表達，同時也顯著降低了根中生長素的含量[43]。Aux/IAA(Auxin/indoleacetic acid)蛋白對其他生長素響應基因的轉錄具有抑制作用[44]，Cd脅迫(100 μmol/L)能穩定Aux/IAA家族蛋白IAA17，從而抑制生長素相關響應基因的表達，最終植物因生長素含量降低表現出主根伸長受抑制[45]。重金屬鹽脅迫對SAUR(Small auxin up RNA)調控生長素信號通路的相關研究鮮有報道，目前的研究僅已知SAUR與非生物脅迫具有一定相關性[46]，其表達蛋白能與部分重金屬離子結合，但與Cd2+結合能力較弱[47]。然而，在低濃度Cd(5 μmol/L)處理下，玉米根系和葉片中生長素含量也會呈上調趨勢[48]。

低濃度Cd(5 μmol/L)脅迫顯著上調了玉米根系中的脫落酸含量以及葉片和根系中的乙烯含量[48]。關于鎘脅迫下植物對體內細胞分裂素及赤霉素調控及生理響應的相關研究主要集中于擬南芥、水稻等模式植物。

2.2 對光合作用的影響

Cd脅迫對玉米凈光合速率的影響表現為低濃度(1、5 μmol/L)時促進以及高濃度(15、50、100 μmol/L)時抑制，同時，不論何種水平的鎘(1～100 μmol/L)處理均會提高玉米的光補償點，但僅有低濃度Cd(1 μmol/L)處理能提高玉米光飽和點[49]。玉米葉肉細胞中的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶對于CO2具有極高的親和力，胞間CO2濃度一般不會成為光合作用的限制因素，因此Cd脅迫誘發的光系統破壞和膜系統損傷等非氣孔因素更可能是重金屬Cd對玉米光合作用影響的主要機理。

水培實驗結果顯示，不同濃度(5、50 μmol/L)Cd處理均會減少玉米的總葉綠素含量，且對于葉綠素a的負面影響大于葉綠素b[50]；同時，Cd處理顯著削弱玉米光系統Ⅱ反應中心俘獲激發光的量子效率，最終導致光系統II的激發受到抑制[51]；此外，Lysenko等[41]的研究表明，濃度為80、250 μmol/L的Cd處理不會影響玉米葉綠體中細胞色素b6f復合體、ATP合成酶等光合作用相關蛋白的mRNA水平，但其中葉綠素結合蛋白Lhcb1的含量顯著降低，再次證實Cd脅迫主要通過抑制光系統II的能量傳遞進而抑制光合作用[50]。

對葉綠體內部結構的破壞是Cd脅迫對玉米光合作用影響另一機理。經電鏡分析，Jiang等[52]發現低濃度Cd(6.5 μmol/L)處理即對玉米幼苗葉肉細胞葉綠體基粒及膜系統有明顯破壞作用。同時，Cd處理濃度的提高(5～50 μmol/L)將造成維管束鞘細胞葉綠體內部類囊體排列紊亂、淀粉粒數量增加和直徑增大，從而抑制維管束鞘細胞葉綠體的光合作用[53]。

綜上所述，鎘脅迫(100 μmol/L)誘導的氣孔異常可能會導致玉米光合速率及氣孔導度的下降[54]，但Cd誘發的非氣孔因素突變對玉米光合作用的影響應大于氣孔因素。

2.3 對水分生理的影響

蒸騰作用是影響植物水分吸收的最重要因素。在Cd脅迫下，低濃度Cd(1、5 mg/kg)處理后，玉米蒸騰速率上升，而高濃度Cd(15、50、100 mg/kg)將抑制其蒸騰作用[49]。高濃度Cd(100 μmol/L)處理后，玉米葉片氣孔導度及蒸騰速率均有不同程度的降低，Anjum等[54]認為這種現象產生的原因可能是Cd脅迫誘導的氣孔異常，最終導致玉米調節和保持水分的能力下降。此外，Cd處理水平的提高(0～75 μmol/L)將降低葉片相對含水量，Hussain等[55]認為產生這種現象是由Cd通過破壞植物水分關系，進而誘導玉米出現生理干旱所致。因此，Cd脅迫引起的玉米水分生理響應似乎是氣孔異常和滲透平衡紊亂共同作用的結果。

植物根壓過大會引起植物吐水。徐穩定[56]發現在高濃度Cd(≥20 μmol/L)脅迫下玉米吐水中出現Cd2+，且隨著處理濃度的升高，吐水中的Cd2+濃度也隨之升高。玉米的這種吐水現象可能是其應對Cd脅迫的解毒機制。植物根系主動吸水涉及礦物元素的轉運，Cd脅迫下玉米主動吸水的生理響應及其機理或是該領域新的研究思路。

2.4 對營養元素吸收的影響

玉米對不同營養元素的吸收及轉運特點決定了Cd脅迫能不同程度地影響養分的吸收及運輸，但也有部分營養元素不受Cd處理的影響。Yang等[57]在0～54 μmol/L范圍內對玉米進行外源Cd處理，結果表明，隨外源Cd濃度的提升必需微量元素Fe、Mn、Cu、Zn以及必需大量元素Ca、Mg進入根內的流入量及長距離運輸量均呈降低趨勢，然而，P元素則呈現上升趨勢，S元素基本保持不變。類似的研究也證實了Cd2+與二價離子Ca2+、Zn2+、Fe2+吸收及轉運的拮抗作用[58]。基于Ca2+通道對Cd的通透性，Tanwir等[58]認為Cd脅迫(≥10 μmol/L)下Ca2+吸收和轉運能力下降可能是由于Cd2+對Ca2+的吸收和轉運造成競爭性抑制。關于外源Cd對Fe吸收的拮抗作用，Meda等[59]證明了其拮抗機理：Cd通過抑制ZmYS1介導的鐵芒果酸轉運實現對Fe吸收的拮抗作用。而關于Cd脅迫對于Zn吸收和轉運的抑制作用，其原因是玉米根細胞質基質中的Cd積累導致Cd2+與Zn2+離子共同競爭ZmZIP轉運子[60]。此外，外源Cd對玉米養分的吸收的影響與玉米品種對Cd的耐受性也有一定關系，低濃度Cd(≤20 μmol/L)處理時，耐性品種對于K的吸收及積累量提高，而敏感品種卻呈現降低趨勢[58,61]，這種現象可能暗示著玉米中存在一種新的Cd耐受機制[61]。K可能參與玉米對Cd脅迫的生理響應過程并發揮重要作用。

3 展望

在土壤受到不同程度鎘污染的背景下，為降低農業生產中Cd對農產品安全性的影響，目前采用較多的手段是土壤原位修復，包括鈍化修復技術和農藝措施兩大類。鈍化劑對土壤進行修復的原理是與重金屬離子發生的吸附、絡合、氧化還原及共沉淀等效應，從而降低重金屬離子的生物有效性和遷移性。降低玉米Cd積累的重要農藝措施包括化肥類型的合理調整、菌肥及葉面微肥的應用等。此外，玉米Cd低積累品種的篩選也是一種解決玉米生產中Cd安全威脅的重要技術，相關研究也已有許多報道[62]。然而，仍有許多問題值得進一步的探究和解答。

Cd脅迫對玉米主動吸水及吐水現象影響規律的研究。主動吸水雖然對植物水分吸收的貢獻度不高，但其產生的根壓能介導Cd經吐水從玉米體內排出的反應[56]。該發現或能為玉米體內Cd積累的排除提供新的思路。

玉米K+通道對鎘運輸作用的研究。K元素可能參與玉米對鎘脅迫的生理響應[61]，且K+通道可能對Cd2+具有滲透性[16,63]，但玉米K+通道在Cd運輸中所發揮的作用仍不清楚，故在實驗方法改進的基礎上對玉米K+通道進行Cd滲透性驗證亟待開展。

玉米液泡對Cd-PCs的區隔化研究。定位在液泡膜上的各類轉運蛋白參與Cd2+或Cd配合物的區隔化[64]，但目前缺乏對玉米液泡膜蛋白的研究。ZmABCC6可能具有轉運Cd-PC配合物的功能，但尚未得到驗證，可以將ZmABCC6的克隆及其蛋白的功能研究作為研究的近期目標[22]。

玉米種質資源的篩選。當前研究主要關注玉米籽粒中Cd的積累，而對玉米秸稈部分Cd的積累關注度不高。同時，對于玉米Cd低積累品種的篩選缺乏針對性，常忽視品種本身性狀以及對環境的適應性，影響篩選的實際意義。因此，對于玉米地方品種進行Cd積累程度的調查以及對玉米本身品質的考量應在將來玉米低Cd積累種質的研究中得到重視。