植物根系分泌物在重金屬脅迫下的響應研究進展

劉長風，段士鑫，張曉宇，王 椰，王天楚

（沈陽化工大學環境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

隨著礦產資源的大量開采以及工業和城市化的加速發展，土壤重金屬污染已成為全球主要的土壤污染問題之一。《全國土壤污染狀況調查公報》（2014）顯示[1]，我國土壤中鎘（Cd）、鎳（Ni）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）等無機污染物點位超標率分別為7.0%、4.8%、2.7%、2.1%、1.5%、。重金屬污染土壤面積已經達到總耕地面積的10%，每年受到重金屬污染的糧食達到1200 萬t，整體經濟損失200 億元[2]。

土壤受到重金屬污染時，植物也會受到影響，有毒金屬元素（Cd、Pb 等）和一些其他金屬元素（Cu、Al等）含量的升高都會導致植物出現中毒現象。Cd 作為植物生長的非必需元素，具有高毒性且不可生物降解，它在土壤中具有很強的生物流動性，很容易被植物吸收和積累，使植物組織細胞產生活性氧，引起細胞膜脂過氧化，進而影響植株生長[3]。Pb 也是具有高毒性且不可分解的重金屬，微量存在就會毒害到植物，進而進入食物鏈影響人類身體健康[4]。土壤中過量的Al3+同樣會使植物生長發育受到嚴重影響[5]。植物會在細胞壁或細胞器官中積累其吸收的過量Al3+，進而影響植物的生長發育[6]。此類重金屬離子對植物造成傷害集中體現在干擾細胞正常的生長發育以及影響植物吸收和利用營養物質[7]。面對重金屬脅迫，植物會建立不同的防御機制來減小傷害，分泌根系分泌物就是其中一種機制。

根系分泌物是指植物生長過程中根系不同部位向生長介質中分泌或釋放的種類繁多的物質。1795年，Plenk 等[8]觀察到植物根系可以向外分泌化學物質，受制于當時的研究條件，未能對其開展詳細的定性分析。隨著檢測技術的不斷進步以及人對根系分泌物研究的不斷深入，發現根系分泌物在植物吸收礦質營養、改變土壤理化特性、影響微生物種群結構、環境脅迫緩解等方面具有重要作用[9]。根系分泌物種類繁多，被鑒定出來的根系分泌物種類已達200 多種[10]，主要包括有機酸、脂肪酸、碳水化合物、多元醇、酚類化合物以及脂肪族和芳香族氨基酸等[11]。根系分泌物分類方式主要有2 種：按照分泌物質的來源[12]和性質[13]來劃分，如表1 所示。由于根系分泌物具有緩解重金屬毒害的作用，對根系分泌物的研究成為當今植物修復的熱點。

表1 根系分泌物的分類依據Table 1 Basis for classification of root exudates

1 重金屬脅迫下植物根系分泌物的變化

植物在正常生長條件下分泌的根系分泌物，光照、溫度、根際微生物以及各種脅迫等因素的改變會導致植物根系分泌物的含量和成分發生變化。植物生長在受重金屬污染的土壤中時，根系分泌物的變化主要集中在有機酸、氨基酸、可溶性糖（表2）。有機酸是根系分泌物中的重要成分，通常指含有一個及以上羧基基團（-COOH）、主要含碳氫氧元素的有機化合物，在線粒體中通過三羧酸循環產生，廣泛存在于植物體內并可以通過根系分泌作用釋放到根際環境中。氨基酸作為蛋白質的基本單元，在根系分泌物中的占比也不容忽視[14]。可溶性糖是指常溫下能溶于水的糖類化合物，是植物碳水化合物代謝的基礎性物質。

表2 植物受重金屬脅迫時常見的根系分泌物Table 2 Common root exudates of plants under heavy metal stress

1.1 有機酸的變化

根據有機酸分子量的不同，可將有機酸分為高分子量有機酸（HMWOAs）和低分子量有機酸（LMWOAs），高分子量有機酸的分子量在幾百到幾百萬之間，而低分子量有機酸則是在幾十到幾百之間[15]。植物受到重金屬脅迫時，根系分泌的草酸、檸檬酸、酒石酸等低分子量有機酸的分泌量和種類都會發生改變，這種變化通常與植物種類及重金屬等因素有關。

在Cd 脅迫下，景天可以分泌酒石酸、乳酸、乙酸、檸檬酸和草酸，其中酒石酸和檸檬酸的分泌量最大，酒石酸、乙酸和草酸的分泌量隨著Cd 濃度增加呈先減后增的趨勢，乳酸和檸檬酸分泌量則與Cd 濃度呈正比[16]；秋華柳根系分泌的有機酸以草酸為主，在Cd 質量濃度為5 mg·L?1時達到最大值，還有少量的酒石酸、琥珀酸和乙酸[17]；玉米根系分泌物以檸檬酸為主要有機酸，而高粱根系則主要分泌蘋果酸[18]；鳳眼蓮大量分泌草酸和酒石酸，但隨著脅迫時間的增加，這兩種有機酸的分泌逐漸受抑制[19]；水稻根系分泌物中有機酸的含量顯著增加，且有機酸含量與植株Cd 含量呈極顯著正相關[20]。

在Pb 脅迫下，金絲草分泌的有機酸以草酸、檸檬酸及蘋果酸為主[21]，景天和花生則主要分泌草酸和檸檬酸[22]；茶樹蘋果酸、草酸、琥珀酸的分泌量與Pb 濃度呈正相關，而檸檬酸的分泌量呈負相關[23]；圓葉無心菜分泌的低分子量有機酸含量呈上升趨勢，且檸檬酸含量與Pb 培養濃度呈顯著正相關[24]；增加外源Pb 濃度，苔草分泌的草酸、蘋果酸、檸檬酸的總含量也隨之增加，但檸檬酸所占總比例下降[25]。

在重金屬Cu 存在下，寬葉香蒲根系分泌的有機酸以草酸、蘋果酸、乙酸、酒石酸為主[26]；蓖麻根系分泌物中主要的有機酸是草酸、琥珀酸、酒石酸、檸檬酸和蘋果酸，其中酒石酸的含量在不同Cu 濃度脅迫下都為最高[27]；與其他金屬相比。Cu 對多年生植物Agrogyron elongatum分泌有機酸的促進作用更明顯[28]。

其他金屬元素（如Al）也會影響植物的根系分泌物。生長在重金屬污染地區的柳樹能夠在較高濃度下積累大量元素，通過大量分泌有機酸而使柳樹極少出現壞死癥狀[29]；Al 存在時，狗尾草根際分泌物中檸檬酸含量顯著增多[30]，同時也能增加大豆根系檸檬酸分泌量[31]；草酸和檸檬酸是楊樹受Al 脅迫時根系分泌的主要有機酸[32]；Al 脅迫時，草酸、蘋果酸和檸檬酸是茶樹根系分泌的3 種主要有機酸，有機酸總量呈先降低后升高的趨勢[33]。

1.2 氨基酸的變化

在植物遭受脅迫時也會大量分泌氨基酸，由于氨基酸在植物體內所起到的作用不同，所以不同種類的氨基酸的分泌量也存在差異。Cd 脅迫促進景天根中丙氨酸和纈氨酸的分泌[3]；水稻在不同Cd 處理濃度下，根系分泌的谷氨酸含量都是最高[34]；Cd 質量濃度＜10 mg·L?1時，玉米幼苗分泌的氨基酸含量無明顯變化，當Cd 含量升高，甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、纈氨酸、蘇氨酸的量均增多[35]；PAVLíKOVá等[36]發現鹽生型煙草耐鋅(Zn)性的提高與脯氨酸、蛋氨酸和γ-氨基丁酸積累的維持有關；黑麥草受Cd 脅迫時根系分泌氨基酸的量明顯增加，且在Zn、Cd 復合脅迫(8 mmol·kg?1Zn+2 mmol·kg?1Cd)時根系分泌的氨基酸總量最高[37]；鳳眼蓮根系分泌的氨基酸種類在Cd 脅迫下無明顯變化，但其總量隨脅迫強度變化表現為低促高抑[19]；蹄蓋蕨受到Cd 和Pb 復合脅迫時會分泌更多的氨基酸[38]；Cd 脅迫下兩種菊科植物中變化的氨基酸主要是谷氨酸，谷氨酰胺，天冬氨酸[39]。海州香薷體內的精氨酸和組氨酸在植物受到Cu 脅迫時顯著增加[40]。

1.3 可溶性糖的變化

Cd 脅迫鳳眼蓮時，根系分泌可溶性糖含量先增多后減少，但始終高于對照組[19]；楊樹幼苗在氯化鈉和氯化鎘脅迫下，果糖和葡萄糖的含量明顯增加[41]；Cd 脅迫導致樟樹葉片內可溶性糖含量顯著高于對照組[42]，但低濃度Cd 脅迫下，菠菜和玉米幼苗內葡萄糖、蔗糖、半乳糖等糖類化合物含量顯著增加[43]；在Cd 濃度為400 μmol·L?1時，景天的根系分泌的可溶性糖量最大[16]；不同Pb 濃度脅迫下，圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量與溶液中Pb 含量呈顯著正相關[24]；景天根系分泌物中分泌的半乳糖、葡萄糖、麥芽糖等伴隨著鉛濃度的升高，有著先增多后減少的變化趨勢[44]。

2 根系分泌物在植物受重金屬脅迫時的作用

植物在遭受重金屬脅迫時，會建立不同的防御毒害機制，通過回避、外排以及提高耐性等方式來減小重金屬的毒害。回避、外排機制主要發生在植物體外，通過植物根系分泌物影響重金屬的移動性及微生物活性，來達到減少重金屬進入植物體內的目的[45]；而提高耐性的機制主要作用于植物體內，通過根系分泌物的螯合作用以及將重金屬貯藏在細胞液泡內，減輕重金屬對植物細胞的傷害。根系分泌物中不同組分在抵御重金屬毒害時起到的作用大不相同，在重金屬脅迫下，有機酸、氨基酸、可溶性糖的分泌量變化比較大，這些組分可能在植物抵御重金屬脅迫時起到了主要作用。

2.1 有機酸的作用

低分子量有機酸自身含有的羧基結構可以為重金屬離子提供結合位點，與重金屬發生配位結合，結合產物相較于重金屬離子而言，毒性較小甚至無毒性[46?47]。其中較為有效的解毒酸有兩對-OH/-COOH附著在兩個相鄰的碳原子上，如檸檬酸和酒石酸，或兩個-COOH 直接連接，如草酸[45]。

有機酸自身的解毒機制在植物體內和體外都發揮著重要作用[48]，當有機酸在植物體內時，與進入細胞的重金屬離子進行配位結合，將毒性較大的重金屬離子轉化為毒性較小的結合態，從而實現植物的重金屬耐性[46]。當土壤中重金屬濃度過高時，植物根系分泌物中有機酸的分泌量也會升高，此時有機酸在體外與重金屬離子發生螯合作用，螯合產物相較于重金屬離子而言不利于植物吸收，從而在一定程度上阻止重金屬離子進入植物體內或者避免重金屬離子在根部敏感位點累積，減少了植物對重金屬離子吸收，使其能在高污染水平下生長[49?50]。

超累積植物是植物中的特例，其對一種或多種重金屬離子有很強的吸收和積累能力，且不影響它正常的生命活動[51]。超累積植物要吸收土壤中的重金屬，首先把土壤中呈難溶態的重金屬活化。超積累植物可通過大量分泌根系分泌物來激活重金屬，使溶液中重金屬-有機酸復合物的濃度增加，提高重金屬的生物可利用性，以此獲得對有毒金屬的超積累能力[52?54]。植物根系分泌物活化土壤重金屬的途徑如圖1 所示。Sidhu[55]在研究中提到有機酸有大量帶負電荷的陰離子，與帶正電荷的金屬陽離子形成絡合物或螯合物，并誘導它們從溶液和土壤基質中置換出來。現有研究已證明包括低分子量有機酸在內的螯合劑可以增強植物對潛在有毒金屬的吸收[56- 57]。

圖1 植物根系分泌物活化土壤重金屬的途徑Fig. 1 Activating pathways of heavy metals in soil by plant root exudates

大量研究表明，向重金屬污染土壤施加有機酸有利于植物修復。Guo 和Tananonchai 利用螯合劑與重金屬具有較強的絡合能力，將低分子量有機酸用于植物修復土壤[58?59]。同時Diarra[60]證實植物修復可以通過使用低分子量有機酸（如檸檬酸、草酸、蘋果酸和乙酸）來獲得更好的效果。外源蘋果酸和乙酸可降低Cd 的植物毒性，增強Cd 在向日葵根部的積累[61]。添加外源低分子量有機酸顯著增加土壤中的有效Cu，從而提高了蓖麻籽對Cu 的植物提取效率[62]。龍葵作為Cd 的超積累植物采用包括產生有機酸在內的耐受機制，以避免Cd 毒性的有害影響，還可以在葉片中積累大量的Cd，這種能力在添加外源有機酸時更加明顯[63?64]。耐Cd 水稻根系分泌的有機酸總量較Cd 敏感型品種多1.76～2.43 倍[20]。表3 為植物根系分泌有機酸種類受植物品種及金屬元素的影響。

表3 不同金屬脅迫下植物根系分泌的有機酸類別Table 3 Types of organic acids secreted by plant roots under heavy metal stresses

2.2 氨基酸的作用

在重金屬脅迫期間，氨基酸在植物的金屬結合、抗氧化防御和信號傳導中起著重要作用。氨基酸是植物和土壤微生物所需碳源和氮源的主要來源，影響生態系統碳氮循環，且在植物體受到重金屬脅迫時，既可以通過參與調節離子轉運、關閉氣孔、氮代謝等解毒過程來減輕活性氧（ROS）的氧化損傷，抵抗重金屬中毒，也可以通過為細菌、真菌等根際微生物提供營養，這些根際微生物的代謝物反過來抑制植物根系對重金屬的吸收[72?75]。同時氨基酸也可以與重金屬發生螯合作用，減輕重金屬毒害[76]。由于氨基酸含量在根系分泌物中為微量，但其種類繁多，每個種類的氨基酸所起的作用也基本不同，部分氨基酸在重金屬脅迫時所起到的作用如表4所示。

表4 部分氨基酸在植物受重金屬脅迫時的作用Table 4 Effects of some amino acids on plants under heavy metal stress

雖然每種氨基酸的功能不同，但是各種氨基酸之間有著一些聯系。氨基酸代謝是重金屬脅迫的關鍵代謝途徑[3,73,82?83]。植物通過脯氨酸、纈氨酸、亮氨酸等代謝途徑以及其他代謝途徑產生滲透保護代謝物來調節自身的滲透平衡；通過賴氨酸、絲氨酸、蘇氨酸等代謝途徑以及谷胱甘肽代謝途徑合成植物螯合肽，從而螯合吸收到體內的重金屬離子。圖2為部分氨基酸和代謝物合成的途徑，顯示了谷胱甘肽、植物螯合肽、多胺等分支的合成[81,83]，以及氮代謝物參與金屬代謝的例子。

圖2 部分氨基酸以及與重金屬相關的氮代謝物合成途徑Fig. 2 Synthesis pathways of some amino acids and nitrogen metabolites related to heavy metals

2.3 可溶性糖的作用

可溶性糖在植物重金屬脅迫下也發揮著積極作用。可溶性糖含量的增加已被證實是植物的重要防御策略之一，可以提高植物對非生物脅迫的耐受性[84-85]。植物根系分泌物中的多糖和多糖醛，可通過競爭結合的方式將Pb、Cu、Cd 等金屬離子固定在土壤中，從而有效限制重金屬離子被植物根吸收[86]。作為碳代謝產生的小分子物質，可溶性糖可以為微生物生長發育所需的碳源[72]，使微生物大量生長繁殖，通過這些活躍的微生物將根系分泌的大分子物質轉化為小分子，同時微生物自身分泌的有機質也可活化重金屬[78]。

植物受重金屬脅迫會發生一系列的抗逆性反應，如產生活性氧、丙二醛，抗氧化酶以及與抗逆相關的蛋白，這些反應需要糖類化合物提供大量的能量[87]。此外，糖類物質可以調節細胞滲透壓、傳遞信號，達到緩解植物重金屬毒性的作用。Debnath[88]和Mao[89]也先后證實在脅迫條件下較高含量的可溶性糖可以幫助滲透調節或提供必要的能量。Abdelkrim等[90]的研究結果表明，包括可溶性糖在內的物質參與了山黧豆對鉛脅迫的主要防御機制和耐受性。

3 展望

隨著研究方法和研究手段的不斷發展，在根系分泌物領域取得的研究成果也越來越多，但還有許多問題需要進一步研究。在植物受重金屬脅迫的情況下，研究根系分泌物組分主要集中在有機酸、氨基酸、可溶性糖上，對其他組分的研究較少，應加強其他組分根系分泌物的研究，發現或總結其他組分的作用；根系分泌物中有機酸、氨基酸和可溶性糖每個組分包含的物質太多，若能找出具有代表性或起到關鍵作用的物質，則能更好地為植物修復提供指導意義。同時，要進一步加強理論方面的研究，找出植物釋放某種分泌物的機理，為植物修復提供更加全面系統的依據。目前大多數脅迫試驗植物的生長條件與自然條件還是有一定差別的，試驗條件下收集到的根系分泌物與自然條件收集到的是否一致等都需要進一步研究。