重金屬脅迫對植物生理生化的影響及其抗性機理研究

葛 坤,王培軍，邵海林，郭家雁,杜 賓

(太原學院，山西 太原 030024)

根據公開文獻資料顯示，我國城市空氣存在重金屬污染，對環境質量、人身健康、社會發展造成嚴重威脅。綠化植物因其較廣的應用范圍，較大的覆蓋面積，較長的生命周期，對空氣中重金屬有吸附、富集、轉化、降解作用，可有效提高空氣質量[1]。

1 大氣中重金屬來源

大氣中重金屬來源一方面為工業排放及化石燃料燃燒，另一方面為土壤中的沙塵。重金屬來源的分析方法中，富集因子法(EF)最為常用，不僅可以判斷大氣中重金屬富集的程度，還可以判斷其性質[2]。甘小鳳等[3]用富集因子法分析得出，西安市PM2.5中Cl，Br，S，Mo，Zn，As，Cd，Pb主要來源于人為活動，而Fe，Cr，Mn，Ti，Ca，K主要來源于巖石風化。楊衛芬等[4]采用富集因子法對南京市霧霾天顆粒物PM2.5中重金屬進行分析，得出Cd，Zn，As，Se，Ag，Cu，Pb等來自于人為影響。其中，機動車尾氣排放、煉鐵、化工廠是主要影響因素。

2 重金屬對植物生理生化的影響

2.1 重金屬對植物生長發育的影響

Cd，As，Pb等重金屬是植物生長的非必需元素，毒性大，可破壞植物生化活性。重金屬進入植物體內，會與植物細胞核發生協同作用，改變葉綠體內部結構，減少葉綠素生成，抑制光合作用相關酶的活性，進而抑制植物的光合作用，使植株表現為矮小、葉枯黃[5]。一定濃度的重金屬元素，會影響植物對必需元素的吸收并產生拮抗作用，濃度高時可直接導致植物死亡。

2.2 重金屬對植物細胞膜透性的影響

植物細胞膜是防止細胞外物質自由進入細胞的天然屏障，同時也為植物生理生化反應提供了穩定的環境。植物細胞膜最重要的特性即選擇透過性，有選擇地調節、控制細胞內外物質的運輸和交換。當植物受到重金屬脅迫時，細胞膜的選擇性機能受損，透性增加，影響植物葉片細胞質膜的組成。植物失去了保護屏障，離子和有機物滲出細胞膜外，有害物質進入細胞內，從而影響了細胞內酶及代謝反應[6]。通常通過測定植物細胞膜外滲透液電導度和鉀離子含量來研究重金屬對細胞膜的傷害程度。試驗表明，Cd濃度不斷增大，玉米幼苗葉片電導度隨之增高[7]。水生植物細胞膜外滲透液電導度以及鉀離子濃度與 Cd 濃度有顯著正相關。在Cd，Pb復合脅迫下，辣椒、小麥等植物細胞膜外滲液電導性與Cd，Pb濃度呈顯著正相關，且Cd，Pb存在協同效應[8]。青菜葉片細胞膜透性會隨著Cd，Pb，Cr處理濃度增加、處理時間的延長而增大[9]。

2.3 重金屬對植物游離脯氨酸的影響

游離脯氨酸是植物體內水溶性最大的氨基酸，其疏水端與蛋白質結合，親水端與水分子結合。蛋白質利用其較強的水合能力束縛水分子，防止植物體在滲透脅迫條件下脫水變性。當植物細胞含水量很低時，游離脯氨酸能提供足夠水分，保證植物細胞正常的生理活動。植物處于逆境脅迫時，游離脯氨酸含量顯著增加。因此，游離脯氨酸含量對植物所處環境具有一定指示作用[10]。對不同污染環境下白皮松針葉游離脯氨酸含量的測定發現，城區>郊區>山區，即空氣污染嚴重地區游離脯氨酸含量較高[11]。Cu，Zn，Cd對小麥幼苗葉片游離脯氨酸的產生有誘導作用。重金屬脅迫致使植物體水分缺失，通過產生一定量的脯氨酸來調節植物細胞水分平衡，降低植物細胞受損程度[12]。

2.4 重金屬對植物保護酶系統的影響

3 植物對重金屬的抗性應答

3.1 植物不同部位對重金屬的富集

葉片是植物的重要器官之一，可利用氣孔及自身分泌的粘液、油脂等吸附重金屬，從而起到對大氣重金屬污染的凈化作用。趙曦等[15]通過測定 3 個污染嚴重地區的荔枝葉片，發現荔枝葉片對Cu，Hg，Cd有很強的富集能力。樹皮不僅有減少植物水分蒸發、防止病蟲害等功能，還具有富集重金屬的功能。El-Hasan T 等[16]發現較光滑樹皮而言，粗糙樹皮對重金屬富集能力更強，老樹皮比枝條、樹干的富集能力強，主要與其表面較深且不規則的凹槽有關。植物根系從土壤中吸收水分及營養元素的同時吸收多種重金屬，Cu，Zn，Mn是植物生長發育所必需的元素，Ni，Pb，Cd，Cr則為非必需元素。因此，Cu，Zn，Mn含量會高于其它重金屬元素。總之，植物的葉片、樹皮、樹干、根系均對重金屬具有吸附凈化能力。Unterbrunner R 等[17]研究表明，楊樹各器官吸附能力為樹葉>樹皮>樹干。車繼魯等[18]測定了香樟各器官對不同濃度重金屬的吸附能力，結果表現為為樹葉>樹干 > 樹枝。

3.2 植物細胞對重金屬的結合鈍化

3.2.1 植物細胞壁對重金屬的結合鈍化

細胞壁是植物細胞的最外層屏障，是使細胞免受重金屬毒害的重要組織，其成分為果膠、半纖維素和纖維素。果膠占植物初生壁的 30%，是細胞壁陽離子結合的主要位點，可通過過氧原子結合金屬陽離子[19]。Krzeslowska 等研究表明，在重金屬Pb，Cd，Cu，Zn脅迫下，果膠甲酯酶活性增強，使更多低鉀酯化果膠生成并重新排布，從而增加了細胞壁對重金屬的吸收和積累。纖維素是細胞壁的重要組成成分，其中的葡萄糖單體形成高度對稱的雙螺旋結構，通過氧原子共用電子對吸附重金屬離子。細胞壁中磷酸根與細胞壁蛋白質可將重金屬離子鈍化，形成重金屬-磷酸鹽、重金屬-碳酸鹽結合態，鉛離子在細胞壁上主要以此形式存在[20]。

3.2.2 植物細胞膜對重金屬的結合鈍化

植物通過細胞膜控制離子進入細胞，一方面細胞膜對重金屬離子有結合鈍化作用，主要表現為重金屬與細胞膜上的氨基酸、蛋白質、糖類、脂類等官能團結合形成鰲合物；另一方面通過轉運蛋白將重金屬離子轉運流出[21]。細胞膜表面重金屬轉運蛋白有9種(表1)，分為吸收蛋白和排出蛋白。吸收蛋白存在于細胞質膜中，主要功能是將重金屬轉運至細胞質。排出蛋白屬于解毒蛋白，可對重金屬脅迫起到重要防御作用，主要功能是將重金屬從細胞質排出[22]。

表1 重金屬轉運蛋白的細胞定位及作用方式

3.3 植物代謝對重金屬的解毒

植物代謝對重金屬的解毒，主要是利用金屬硫蛋白(MT)、植物絡合素(PC)、熱激蛋白(HSP)、有機酸、氨基酸、多胺(Pas)、谷胱甘肽(GSH)等物質將重金屬絡合，或形成復合物，從而降低重金屬對植物的危害[23]。植物體中含有約50種金屬硫蛋白(MT)，也稱金屬硫組氨酸三甲基內鹽，其分子量很低，富含易與重金屬離子結合的疏基。在重金屬脅迫環境中，MT可消除OH，O2-等自由基，起到保護植物細胞免受離子輻射和抗氧化物傷害的作用[24]。植物絡合素(PC)由不同長度的肽鏈構成，肽鏈越長，與重金屬結合能力越強。在重金屬脅迫環境中，PC合成酶被金屬離子激活，以谷胱甘肽(GSH)為底物催化合成PC.PC在植物中廣泛存在，其類型與植物和重金屬種類有關[25]。有研究表明，PC可與植物細胞吸收的Cd復合形成分子質量不同的復合物，進而起到對Cd的解毒作用。熱激蛋白(HSP)可參與細胞增殖、調控免疫系統等生理活動，協助蛋白質折疊、裝配和轉運。在重金屬脅迫下，起到對蛋白質的保護和修復作用，將重金屬誘導變性的蛋白質重新折疊，維持蛋白質的穩定性[26]。有機酸、氨基酸(脯氨酸等)是植物重金屬絡合的主要配位體，含有羥基、羧基、氫基等官能團，可與重金屬結合形成穩定化合物，并參與重金屬離子的吸收、運輸、積累過程，起到對植物重金屬鈍化解毒的作用[27]。多胺(Pas)可為植物提供能量，抑制還原型輔酶2(NADPH)氧化，消滅活性氧，維持線粒體氧化磷酸化和NADPH穩定，減輕重金屬對植物細胞膜和蛋白質的傷害。谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸等非酶類抗氧化劑，對植物重金屬有解毒作用。谷胱甘肽(GSH)是含有-SH信號的物質，普遍存在于植物體內。GSH與重金屬離子發生螯合反應，從而防止自由基和脂類過氧化物對細胞膜的傷害。為防止GSH上的疏基被氧化，形成GSSG，GSH在轉移酶的作用下進行GSH-二硫化物交換反應，以保證足夠的GSH與重金屬等有害物質結合[28]。通常情況，GSH作為PC與重金屬離子螯合反應的供體，重金屬離子在與PC螯合前先與GSH螯合，從而達到對重金屬的解毒作用[29]。

4 展望

重金屬對植物的危害及植物對重金屬的解毒機制是當前研究的熱點。重金屬通過干擾細胞正常代謝而影響植物生長發育，甚至造成植物體損傷。因植物自身代謝及重金屬元素毒性的差異，植物對重金屬的吸附、適應、解毒機制極其復雜，仍需進一步研究。

目前，國家對環境保護極為關注和重視，從源頭上對重金屬污染排放較為嚴重的化工廠、冶金礦山等進行了嚴格治理，加大對繁殖速率快、地上部分密集的重金屬超富集植物的馴化和推廣。同時引入轉基因技術，有針對性地將某重金屬元素的富集基因轉移到植物體內，達到對多種重金屬元素的超富集是今后研究的重要方向之一。