苔蘚植物響應重金屬脅迫的研究進展

陳璇 劉祥龍 唐婷，2

（1. 湖南科技大學生命科學學院，湘潭 411201；2. 湖南科技大學經濟作物遺傳改良與綜合利用湖南省重點實驗室，湘潭 411201）

重金屬污染限制了土地資源的有效利用和作物的地理分布，近年來這一環境問題已成為國內外普遍關注的熱點［1］。礦山開發形成大量的損毀林地，植被破壞，土壤退化，生態系統破壞十分嚴重。隨著工農業發展，土壤重金屬污染逐漸嚴重，且其污染具有隱蔽性、持久性和累積性的特點，有害重金屬可以通過土壤-作物系統進入食物鏈并且嚴重威脅著動物和人體的健康［2］。植物修復技術具有成本低，不破壞土壤組成，重金屬可循環利用和美化環境等特點，篩選和培育具有超富集和耐受重金屬脅迫的植物是防治重金屬污染的主要解決途徑［3］。因此，加強重金屬污染地區的生態修復建設迫在眉睫，而尋找合適的植物修復材料非常關鍵。

苔蘚植物在進化樹上處于一個非常特殊的位置，它既有水生藻類旺盛的繁殖再生能力，又已進化出高等植物對陸地環境的適應機制。苔蘚植物具備配子體和孢子體的世代交替現象，其配子體葉片僅由單層細胞構成，輸導組織不發達，無維管束結構，缺乏真正的根系不利于從土壤基質中吸收營養［4］。苔蘚植物角質層比較低等，個體矮小，但它的相對體表面積較大，有較好的靜電吸附能力，特殊的生理結構使其對環境中的重金屬離子非常敏感［5］。研究發現叢蘚科和真蘚科的多種苔蘚植物生活在布滿銅綠的礦巖石上，其中少數物種生活在含氧化銅的礦土上，表明多數苔蘚植物耐受重金屬的能力強于陸地上其他高等植物，具有地下礦產的生物指示作用［6］，因此被建議用作生態修復和生物探礦的理想材料［7］。本文綜述了重金屬脅迫對苔蘚植物生理生化活動的影響，苔蘚植物從生理生化水平如何積極響應重金屬脅迫，并對苔蘚植物可為重金屬污染地區進行生態修復提供理想材料和生物監測方法進行初步探討。

1 重金屬脅迫對苔蘚植物生理生化活動的影響

重金屬在植株體內積累超過一定含量時，使生命大分子物質如蛋白質，脂質和核酸等發生降解，誘導活性氧物質的產生，破壞細胞代謝活動導致細胞死亡［8］，最終對植物體產生毒害作用。苔蘚植物對環境中重金屬脅迫具有高度敏感性，環境中重金屬脅迫主要通過抑制光合系統，破壞細胞內超微結構和誘導細胞膜脂過氧化等影響其生理生化活動。

1.1 抑制光合系統

光合作用是植物賴以生存的基礎，也是植物對環境脅迫最敏感的生理過程之一［9］。葉綠素熒光檢測技術是一種衡量植物光合效率和光合系統穩定性的關鍵技術，能在一定程度上反映環境脅迫對植物光合作用的影響，并且與植物對環境脅迫的耐受性緊密聯系［10］。研究發現植物的凈光合速率，最大光合效率和有效光合效率在重金屬錳脅迫處理下受到顯著的抑制［11］。苔蘚假根太短而不能接觸到土壤深處的重金屬，因此假根只能作為監測水生環境中重金屬含量的研究對象，而苔蘚配子體葉片可以依靠快速而非破壞的葉綠素熒光成像技術來反映環境中重金屬脅迫的嚴重程度［12］。例如，薄網蘚（Leptodictyum riparium）配子體在鎘處理后，其潛在的最大光合效率（Fv/Fm）明顯下降，說明其光合作用被鎘抑制［13］。

葉綠素作為植物吸收和傳遞光能的重要色素，葉綠素含量和光合參數的變化可以用來表征植物組織受損傷的程度［14］。苔蘚植物受重金屬脅迫后，與其他陸生高等植物一樣［15］，其總光合色素水平顯著下降［16］，表明其光合器官受到嚴重傷害，葉綠素發生降解。研究者們通過3種苔蘚植物對鎘脅迫的耐受性比較發現，葉綠素含量和類胡蘿卜素含量下降越顯著其耐受性越弱［16］。葉綠素a與葉綠素b含量的比值，是用來衡量植物受金屬脅迫影響的重要指標，重金屬脅迫能夠促進葉綠素a轉變為葉綠素b，并且使葉綠素a/葉綠素b的比值明顯降低［17］。例如，在鐵超富集植物金錢草（Scopelophila ligulata）中鐵含量與葉綠素含量密切相關，進一步分析發現葉綠素b含量與鐵含量呈現負相關的趨勢，而葉綠素a和類胡蘿卜素含量不受鐵離子含量的影響［18］。

苔蘚植物葉綠體類囊體膜上有多個蛋白質復合體和超復合體［19］，高濃度重金屬環境會誘導光系統中捕光葉綠素蛋白質復合物解聚，使葉綠素含量降低，顯著抑制光合速率和氣孔導度［20］。柏狀灰蘚（Hypnum cupressiforme）在重金屬脅迫下，捕光色素蛋白LHCB（PSII light-harvesting chlorophyll a/b binding protein，LHCB），PSII放氧復合體蛋白和RuBisCO激活酶蛋白表達下調，限制光能吸收及PSII中能量轉移，抑制暗反應從而降低卡爾文循環，最終抑制光合作用［21］。

1.2 破壞胞內超微結構

重金屬會對苔蘚植物胞內結構造成有害影響，導致細胞質壁分離和細胞壁增厚［13］。重金屬所引起的損傷，大多與膜損傷有關，因此膜結構豐富的細胞器會受到嚴重損害。細胞損傷最嚴重的細胞器是葉綠體和線粒體，鎘阻礙了葉綠體的分裂和擴張，也影響了細胞器的形狀和類囊體系統的排列［22］，葉綠體基粒腫脹，同時細胞中央大液泡出現顆粒狀沉淀［23］。例如，薄網蘚在亞致死濃度的銅、鋅、鎘和鉛4種不同重金屬離子處理后，利用透射電子顯微鏡觀察發現，葉綠體的超微結構發生了不同程度的改變和破壞，其中鎘對葉綠體結構影響最嚴重［24］。研究者們進一步觀察了重金屬污染嚴重地區薄網蘚細胞超微結構發現，細胞壁由于重金屬離子的長期影響而加厚，細胞壁具有嚴重的裂縫，葉綠體膨脹增大變形，基質上含有很多較大的脂肪顆粒，并且在細胞質中檢測到了多層的脂質油滴，但細胞核和線粒體超微結構所受影響較?。?3］。刺疣蘚（Taxithelium nepalense）葉綠體膜和類囊體膜明顯被鉛和鎘破壞，導致葉綠體超微結構發生了顯著的變化［25］。薄網蘚在鎘處理后，細胞出現質壁分離，并且有部分細胞質空泡化，基粒和基粒間類囊體雖然存在于葉綠體中，可見彌漫性脹大，線粒體結構也發生了改變，嵴膨脹，基質透明，細胞內觀察到沉淀的電子致密物質［26］。

1.3 誘導膜脂質過氧化

當苔蘚植物處于重金屬環境下，細胞內自由基代謝平衡被破壞而引發氧化脅迫。以鎘為例，在植物細胞中，即使在低濃度下，Cd2+仍然具有很高的毒性，與其他金屬不同的是，Cd2+并不直接通過Fenton/Haber-Weiss反應誘導氧化應激，而是擾亂細胞整體氧化還原平衡，從而影響活性氧（Reactive oxygen species，ROS）水平［26］。盡管Cd2+不具有氧化還原活性，但它仍會導致活性氧的產生并且降低活性氧的清除能力［27］。細胞膜系統是氧化損傷的主要靶點，導致膜脂發生過氧化反應生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）。MDA可以和細胞內氨基酸、不飽和脂肪酸和蛋白質等生物大分子物質發生反應，致使生物膜系統發生過氧化損傷，最終破壞膜系統結構和影響膜的生物學功能［28］。MDA含量高低常作為重金屬脅迫下，反映膜脂過氧化程度的生化指標。在重金屬處理后，苔蘚植物MDA會隨重金屬濃度升高而升高［29］，膜質過氧化程度逐漸加重表明植物受重金屬毒害越來越嚴重，導致細胞膜系統穩定性也隨之下降。例如，重金屬污染嚴重地區薄網蘚ROS含量比污染較輕的地區增高了26倍［13］。此外，復合重金屬脅迫在誘導苔蘚植物啟動氧化損傷具有協同效應［30］。

2 苔蘚植物對重金屬脅迫的響應策略

盡管重金屬對苔蘚植物生長發育和各項生理生化活動有著不利影響，但自然界中有多數苔蘚能在高濃度的重金屬環境中保持生長、發育和繁殖，說明苔蘚植物在長期的進化過程中逐步形成了比較完善的耐受重金屬的機制。

2.1 吸附特性

苔蘚植物體矮小，結構簡單，無真正的根和維管束，體表無角質層，其特殊的構造使它具有很強的交換陽離子的能力［23］，可以高效的從環境中富集重金屬。由于苔蘚植物的多毛分支結構，苔蘚植物具有很強的吸附金屬離子能力［31］。曲尾蘚和金發蘚通過掃描電鏡下可以觀察到略顯粗糙的細小絨毛，推測是由于所吸附在表面的金屬微粒聚集而成［32］。苔蘚植物對金屬離子的吸附分為胞內吸收和胞外吸附［33］。不同種類的苔蘚植物對同一金屬離子的攝取能力差異顯著，因為不同種類的苔蘚植物結構和生物特性存在差異，還可能與細胞壁上特定的金屬離子結合位點數量有關。已有研究發現來自不同地區的兩種溪苔科植物對Cd2+的細胞壁吸附和胞內攝取能力存在顯著差異，分析可能是由于兩物種對Cd2+結合位點的數量，配子體葉片表面積和細胞壁組成成分不同而造成［33］。同種植物對不同的金屬離子吸收能力也具有一定差異。例如，地錢屬苔蘚對Cu、Zn和Cd這3種重金屬的都具有較強的富集能力，其中對Cd的富集能力最強［34］。地錢苔對鎘、鉛和鋅3種重金屬離子的組織富集和轉運特性存在一定差異，其中鉛呈現出最低濃度，90%含量的鉛富集在假根中，進一步發現地錢苔組織中金屬離子濃度與金屬轉運和增強毒性反應之間具有正向關系［35］。泥炭蘚在重金屬污染土壤中對Pb、Cu和Cd的富集含 量 分 別 為1 218 mg/kg、63.2 mg/kg和2.8 mg/kg，表明泥炭蘚對Pb的富集能力最強，并且隨著泥炭蘚數目增多對重金屬離子的吸附和轉運能力越強［36］。

2.2 阻隔屏障

阻止重金屬進入植物體內是多數高等植物的應激策略，而苔蘚植物可以在細胞膜表面產生相應的屏障阻隔，將重金屬離子有效的積累在特定區域從而限制重金屬離子的跨膜運輸，降低胞內重金屬離子濃度，降低其對胞內重要結構和酶活性的破壞［20］。例如，匐枝青蘚可以在600 mg/L濃度Pb下正常生長，其原因是配子體皮層組織薄壁細胞的細胞壁可以形成有效屏障，完成對Pb的有效阻隔，使大部分Pb沉淀在細胞壁中，從而減輕對細胞的毒害作用［23］。

2.3 啟動氧化應激

重金屬脅迫可激活ROS物質的產生和誘導氧化脅迫的形成［37］。苔蘚植物通過合成抗氧化劑，包括抗氧化酶以及其他抗氧化分子，如過氧化氫酶（Catalase，CAT）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸（Ascorbic acid，AsA）和谷胱甘肽或酚類代謝物等，以清除由于重金屬脅迫所產生的ROS物質［38-39］。植物體內一個主要活性氧清除系統為抗壞血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循環［40］。當重金屬嚴重抑制植物生長和金屬含量積累到一定程度時，水稻和油菜等高等植物中谷胱甘肽轉移酶（Glutataione-S-transferases，GST）被激活，以減輕重金屬的中毒癥狀［41-42］。苔蘚植物面對重金屬脅迫時，同樣會作出響應，激活GST以促進ROS的猝滅，保護苔蘚植物細胞膜結構和蛋白活性［26，43］。植物葉綠體和胞質中，抗壞血酸過氧化物酶（AsA-GSH，APX）是循環的關鍵酶［44］，AsA是植物細胞產生的一種基本的抗氧化劑，AsA可直接與活性氧反應將其還原，又可作為APX的底物在葉綠體類囊體表面作為還原劑清除活性氧［40，45］。柏狀灰蘚APX和醛酮還原酶（Aldo-keto reductases，AKRs）蛋白表達受重金屬脅迫下調，說明其參與金屬脅迫所造成氧化脅迫的脫毒作用受到影響［21］。

清除活性氧酶系統其他酶如CAT、SOD和POD在苔蘚植物重金屬脅迫的氧化應激中也起著重要的作用［46］。苔蘚POD活性和CAT活性則表現為先上升再下降的趨勢［47］，這說明過氧化酶活性的變化是苔蘚植物自身的一種應激反應。Pb和Ni單獨處理或復合處理都能使大灰蘚（Hypnum plumaeforme）POD活性增強，說明POD在苔蘚植物抵御由重金屬脅迫引發的氧化脅迫發揮了重要的作用［46］。葉綠體中存在兩個核基因編碼的同工酶，即銅/鋅SOD（Cu/ZnSOD）和鐵SOD（FeSOD）［48］。扭口蘚（Barbula unguiculata）Cu/Zn SOD基因受銅誘導表達，并且Cu/Zn SOD和Fe SOD表達在轉錄水平上受植物對重金屬的富集能力的協同調控，其中順式作用元件GTACT通過與轉錄因子PpSBP2（Squamosa promoter-binding protein，SBP）互作而負調控Fe SOD在銅脅迫下的轉錄水平，這套響應分子機制與其他高等植物擬南芥和煙草應對銅脅迫相似［48］，這說明苔蘚植物中銅對GTACT元件依賴的轉錄抑制的分子機制在植物中具有保守性。另外，重金屬還可引起細胞脂質發生氧化損傷［49］，但在葉綠體或者有色體中的質體球滴結構中，這些被破壞的脂質可以被循環利用來合成維生素E［50］，這類物質可以植物體幫助清除活性氧［51］，從而減輕重金屬的毒性。

2.4 螯合作用

螯合作用是指重金屬離子進入植物細胞后，通過植物螯合肽（Phytochelatins，PCs），金屬硫蛋白（Metallothionein，MTs）和谷胱甘肽等物質與金屬離子發生螯合作用降低重金屬離子毒性的解毒機制。

植物螯合肽（PCs）是一種由谷氨酸、半胱氨酸、和甘氨酸組成的含巰基螯合多肽，其能和金屬離子結合形成重金屬PC螯合物［52］。PCs可通過半胱氨酸的巰基將鎘或其他重金屬離子區域化在液泡中，因此可在胞質環境中快速脫毒［53］。PCs通過GST激活在植物細胞質中組成型表達的螯合素合成酶而生物合成［54］。有研究報道薄網蘚在輕微鎘脅迫時，幾乎監測不到螯合素，推測存在其他有效的脫毒途徑，只有在高濃度的鎘處理時，才會激活螯合素合成酶的活性，從而誘導螯合素的生成［26］。Petraglia等［55］驗證了從低等的藻類開始植物就已經具備螯合素合成酶的相關基因，并且螯合素合成酶具有活性，陸地低等植物苔蘚已經具有能合成螯合素的潛力，表明植物螯合素的合成能力以及植物螯合素合成酶活性的存在是陸生植物的祖先特征，產生螯合素表明苔蘚植物響應重金屬脅迫在進化上具有保守性。

MTs是一類小分子富含半胱氨酸的蛋白，廣泛存在于所有真核生物和少數細菌中［56］。MTs在植物對重金屬和其他非生物脅迫的適應過程利用Cys殘基來螯合重金屬，同時使植物免受氧化損傷［57］。大多數開花植物中存在4種類型MTs，其表達具有組織特異性，表明它們在植物中具有重要且非冗余的功能［58］。在高等植物如擬南芥、大麥和水稻中，MTs受Cu、Cd和Zn等重金屬的調控［59-64］。通過對模式植物小立碗蘚（Physcomitrella patens）進行蛋白序列分析發現，PpMT2序列和植物中第二種類型的MTs同源性比較高，容易受Cu和Cd誘導表達［65］。近年來從小立碗蘚新鑒定了一個與植物第一種類型的MTs同源性較高的PpMT1蛋白，PpMT1在配子體衰老過程中高度表達，PpMT1有兩種亞類，PpMT1.1a和PpMT1.1b受Cd處理后誘導表達，在酵母中異源表達能夠提高對重金屬脅迫的富集能力和耐受能力［58］。

谷胱甘肽是一類具有高穩定性和親水性的巰基蛋白，在螯合重金屬方面起重要作用。在重金屬環境中下，谷胱甘肽能與重金屬離子結合形成復合物，通過谷胱甘肽轉移酶的作用將形成復合物會被運輸到苔蘚植物葉片的液泡中，從而保護植物細胞不受毒害［26］。谷胱甘肽除了參與清除ROS物質外，還能在苔蘚和其他高等植物中作為鎘脫毒的有效物質［26］。例如，薄網蘚在即使比較輕微的鎘處理下，也會誘導GST快速表達，合成大量谷胱甘肽，有效參與鎘脅迫的脫毒螯合過程［26］。

2.5 誘導保護性蛋白

熱激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）是植物在逆境下產生的應激蛋白，并通過分子伴侶機制保護處在逆境中的植物［66］。熱激蛋白廣泛存在于各種生物體內，受高鹽、干旱、寒冷、重金屬、臭氧和紫外線等非生物脅迫誘導表達［67］。苔蘚植物中各種熱激蛋白也被誘導表達，以應對重金屬、氧化和滲透脅迫。誘導苔蘚植物中的HSPs表達可以增強蘚類對重金屬的的抗性［13］。據報道，HSP70在廣大生物中最保守，在重金屬污染中發揮保護蛋白結構的重要功能［68］。薄網蘚HSP70蛋白表達水平與毒性重金屬含量呈現正相關的趨勢，表明HSP70可能發揮了脫毒的保護性作用，參與修復和正確折疊受損蛋白質［13］。重金屬脅迫導致薄網蘚可溶性蛋白含量降低，使HSP70蛋白表達量明顯增強，表明HSPs充當分子伴侶有助于提高苔蘚植物對鉛、鎘、銅、鋅等毒性金屬離子的耐受能力［69］。尖葉美喙蘚（Eurhynchium eustegium）比鱗葉蘚（Taxiphyllum taxirameum）具有更高含量的光合作用相關蛋白，說明其對重金屬脅迫的耐受性更強［70］。

3 苔蘚植物對重金屬污染的生物修復

每年我國因為采礦而廢棄的其土地約為20 000 hm2，這造成了巨大的經濟損失，而且由于缺乏綠色植被的保護，引起水土流失，土地荒廢，長期下去將引起生態失衡，加速土地荒漠化。而苔蘚是破損山體或坡面生態修復材料的很好的選擇，并且具有以下獨特優勢：（1）苔蘚對環境適應性強且培養成本低。苔蘚是一類由水生向陸生過渡的高等植物類群，遍布除海洋外的地球上每個角落，甚至生長于荒漠、凍原及巖石上，耐旱、耐寒、耐貧瘠，適應力極強［73］。苔蘚以無性繁殖為主，生長過程所產生的配子體通過打磨成碎片即可再生成新的植株，從碎片到生長成完整植株所需周期短。苔蘚植物受病蟲害侵襲較少，培養繁殖過程簡單高效，所需生產成本較低。（2）苔蘚是礦區的先鋒植物。根據對我國多省大型銅礦和金礦生態環境破壞嚴重地區的植物資源調查發現，在維管植物很少存活的地方，卻發現苔蘚作為先鋒植物生長，爛泥溝金礦區的中心區是破壞最嚴重的地方，除了零星的苔蘚以外幾乎看不到其他植物的生長［7］。（3）苔蘚是理想的生態指示劑。苔蘚植物葉片僅單層細胞構成，有比較好的靜電吸附能力，因此對環境中重金屬離子反應敏感強度高，只需監測礦區苔蘚植物的生長趨勢和重金屬富集能力，便可以掌握當地受重金屬污染的情況。利用蘚袋法測定大氣污染物的研究結果顯示，暴露在空氣中3個月以上的苔蘚，其重金屬含量與工業重金屬污染或者城市重金屬污染程度呈現正向相關的趨勢［71-72］。因此，苔蘚也可成為大氣重金屬污染程度的指示植物。

4 總結與展望

綜上所述，重金屬脅迫對苔蘚植物的生長和發育過程造成了嚴重的影響，然而，在長期進化過程中，苔蘚植物在形態構造，生理和生化活動等各個方面積極響應重金屬脅迫，逐漸形成了自己獨特的適應機制。苔蘚雖個體較小且結構簡單，但由于具有特殊的生理結構，以配子體占優勢，不具維管組織，能適應各種極端環境。苔蘚植物可以通過形成阻隔屏障，對重金屬進行吸附，啟動氧化應激，誘導保護性蛋白來適應重金屬環境。值得注意的是，通過對苔蘚植物的各項生理和結構特征及其他證據觀察分析推測苔蘚植物這一從水生向陸地進化的高等植物，其在耐重金屬脅迫方面與低等藻類植物和陸地其他高等植物相比，具有一定的保守性。但是目前關于苔蘚植物如何應對重金屬的基因表達調控機制還有待進一步的研究。眾多研究結果表明，苔蘚植物對土壤重金屬含量等自然條件較為敏感，可在重金屬污染區域起生物指示的作用，其在環境監測中具有十分重要的作用，對人類探索治理重金屬污染、凈化生態環境具有一定的參考意義。