植物響應Cd脅迫研究進展

劉自然 甄珍 陳強 李玥瑩 王澤 逄洪波

（1. 沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034；2. 沈陽師范大學實驗教學中心，沈陽 110034）

近年來隨著工業發展，重金屬污染的土壤面積和水源總量顯著增加，尤其是鎘（Cd）污染，據我國2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，土壤中Cd點位超標率高達7.0%，位于無機污染物之首。土壤中Cd的主要來源分為自然過程和人類活動兩大類，其中自然過程包括火山噴發和土壤侵蝕等，人類活動包括礦山開采和農業活動等［1-2］。Cd因具有強流動性和溶解性而容易被植物體吸收并危害植物的生長發育，Cd脅迫超過一定濃度會使植物出現發芽率降低、幼苗鮮重下降、葉片枯萎、側根減少及莖稈縮短等毒害癥狀，細胞發生膜質過氧化、光合功能下降及電解質滲漏等，同時Cd還能通過食物鏈的傳遞對人體骨骼、肺部和腎臟造成危害，甚至威脅生命［1，3-4］。

在長期應對Cd脅迫的過程中，植物已經進化出相應的解毒機制，主要包括區域化隔離、螯合劑沉淀以及轉運蛋白移位，但其解毒機制尚不完全清楚。近些年，轉基因技術、轉錄組學和蛋白質組學等已經被用于植物抗重金屬脅迫機制的研究中。如Chen等［5］利用轉基因技術研究了擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）MAN3基因的功能，結果表明MAN3能夠通過谷胱甘肽依賴途徑調節植株Cd耐受性。Gao等［6］基于轉錄組學對東南景天（Sedum alfredii Hance L.）進行分析，發現Cd脅迫條件下纖維素合成酶等參與細胞壁修飾的基因顯著上調。研究人員還就蛋白質組學對重金屬超積累植物進行了分類［7］。隨著生物技術的迅猛發展，植物和Cd的相互作用機制已經從生理生化水平上升至分子水平。本文總結了Cd與植物相互作用的規律，以期為培育Cd低積累作物和Cd超富集植物用以修復污染土壤提供理論依據。

1 Cd脅迫對植物生理生化指標的影響

高濃度Cd脅迫不僅對植物的外部形態造成明顯損害，還會引起一系列生理和代謝物變化，如活性氧和丙二醛過量積累導致的膜質過氧化，葉綠體結構和功能被破壞導致光合作用被抑制，電解質滲漏增加導致細胞理化性質改變，同時，這些生理指標也是衡量一個植物耐Cd性強弱的標準。

1.1 Cd對活性氧（reactive oxygen species，ROS）與丙二醛（malondialdehyde，MDA）的影響

Cd脅迫會導致細胞內氧代謝不平衡從而生產過量ROS，ROS是一類氧單電子還原產物，包括超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）和單線態氧（1O2）［8］。大量ROS匯集到細胞膜及細胞器膜周圍，與質膜上連接甘油和脂肪酸的酯鍵以及不飽和脂肪酸的側鏈發生抽氫及加氧等脂質過氧化反應，導致質膜通透性變大，并生成醛類羧基化合物MDA等［9］。研究表明MDA含量與Cd脅迫濃度的增加呈線性相關，證實MDA含量可作為衡量Cd脅迫的重要生理指標之一［10-11］。

1.2 Cd對葉綠素含量及光合熒光參數的影響

葉綠體是高等植物及部分藻類所特有的光能轉換器，葉綠素含量（包括葉綠素總量、葉綠素a/b、葉綠素a和葉綠素b等）和光合參數（包括最大熒光/可變熒光（Fv/Fm）、光化學猝滅（photochemical quenching，PQ）和非光化學猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）等）的值能夠反應光合作用的程度，是衡量植物耐Cd性強弱的生理指標之一［12］。杉木（Taxodium distichum L.）在Cd脅迫初期通過增加光吸收提高光合作用，進而保持強大的抗氧化系統來阻止氧化應激，同時NPQ也會隨之增加［13］。已有研究發現，隨著Cd脅迫濃度和時間的增加，葉綠素結構被破壞、含量顯著降低，表明光合作用受到抑制［14-16］。此外，Cd對光合作用的影響還包括抑制捕光蛋白、光合系統II復合體蛋白以及Rubisco激酶蛋白的活性，從而限制了光能吸收并抑制光合 作用［17］。

1.3 Cd對相對電導率和滲透調節物質的影響

細胞膜對維持細胞內環境穩態和生理代謝平衡起著重要作用。Cd脅迫引起細胞內ROS和MDA過量積累，導致膜質過氧化進而使質膜通透性增大、胞內電解質外滲，因此相對電導率是細胞受Cd損壞程度的重要指標之一［18］。研究表明高濃度Cd脅迫導致白菜（Brassica pekinensis L.）根細胞的相對電導率升高［19］。當受到Cd脅迫時，植物細胞會通過合成并積累溶質（包括可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等）來降低水勢及滲透壓以保證水分的正常供應［20-22］。

2 Cd脅迫對植物細胞在分子水平的傷害

2.1 Cd對細胞DNA的損傷

植物受Cd脅迫后，細胞核和核仁發生變形甚至分解，導致染色體畸變并影響DNA復制。如大蒜（Allium sativum L.）受Cd脅迫時，隨脅迫濃度和時間增加，根尖細胞的細胞核解體、核仁分解成顆粒且染色體發生粘連［23］。有研究表明，Cd對DNA的損傷體現在DNA鏈間發生膠聯、DNA構象發生改變以及雙鏈發生斷裂。葛才林等［24］發現小麥（Triticum aestivum L.）和 水 稻（Oryza sativa L.）葉 片中的DNA膠聯程度隨著Cd濃度的增大持續加重。 張旭紅等［25］發現不同濃度Cd脅迫對蠶豆（Vicia faba L.）DNA的損傷程度不同，隨著Cd濃度的增加，DNA損傷程度加重。Cd對DNA的脅迫是其對DNA損傷與修復共同作用的結果，這種平衡一旦被嚴重破壞則會導致基因突變［26］。此外，Cd脅迫會降低DNA多態性［27］。

2.2 Cd對轉錄水平的影響

轉錄過程是指以DNA為模板，按照堿基互補配對原則，在RNA聚合酶的催化作用下合成、加工并修飾成為成熟mRNA的過程。此過程中，Cd對植物轉錄過程的影響主要體現在與Cd脅迫相關的mRNA表達量發生變化，如Gao等［6］對Cd超積累植物東南景天轉錄組的研究結果顯示，Cd脅迫導致110個基因的表達量上調，123個基因的表達量顯著下調，并且這些基因大部分與細胞壁修飾、重金屬轉運和再活化相關。此外，Cd處理的濃度和時間也是影響轉錄組變化的重要因素之一。曹繼敏等［28］對旱柳（Salix babylonica L.）在Cd脅迫不同時間、不同濃度的樣本進行RNA-seq分析，結果顯示相同濃度不同時間的差異表達基因數量（DEGs）和相同時間不同濃度脅迫下DEGs均不相同。其中與Cd脅迫密切相關的基因主要是與編碼金屬硫蛋白、ABC轉運蛋白、油菜素內酯合成通路的3，6-脫氧油菜素淄酮酶（ROT3）以及黃酮類化合物合成通路的黃酮醇合成酶（FLS）和黃烷酮-3-羥化酶（F3H）有關。除此之外，不同植物對Cd脅迫的敏感性也不盡相同。Xu等［29］對Cd脅迫下龍葵（Solanum nigrum L.）和水茄（Solanum torvum L.）的轉錄組分析結果顯示，編碼ZIP和ABC等金屬轉運蛋白基因、過氧化酶等抗氧化相關基因以及氨基酸生物合成代謝相關基因在龍葵中具有更高的表達量。此外，植物對Cd脅迫的抗性響應機制不僅取決于植物種類，還與植物器官類型密切相關。何其浩等［30］通過RNA-seq研究欒樹（Koelreuteria paniculata L.）經不同濃度Cd脅迫后地上部與根部基因表達的變化情況，結果顯示，根部差異基因主要富集在核糖核蛋白復合物和大分子復合物，而地上部差異基因主要富集在膜內組分和膜結構部分。綜上所述，植物在轉錄過程水平受Cd脅迫的影響與其脅迫的濃度和時間、植物種類及器官類型有關。

2.3 Cd對翻譯水平的影響

Cd脅迫通過影響核糖體來調控翻譯水平，進而影響蛋白合成。研究人員利用透射電鏡觀察Cd脅迫下石龍尾（Limnophila sessiliflora L.）葉片細胞，結果表明隨脅迫濃度的增加，由于核糖體數目減少和細胞器破壞，蛋白質合成受到影響甚至造成細胞死亡［31］。核糖體由rRNA和蛋白質組成，rRNA數量反映了核糖體產生率。Sormani等［32］發現Cd脅迫48 h后，擬南芥rRNA數量發生了微小的變化，進一步分析發現核糖體蛋白S6和L13豐富度降低，核糖體合成蛋白質速率也出現下降。

2.4 Cd對蛋白質的影響

Cd可明顯改變植物體內蛋白質水平，且蛋白質含量變化與Cd脅迫濃度密切相關，如低濃度Cd脅迫使煙草（Nicotiana tabacum L.）花和葉中蛋白質含量下降，隨Cd濃度的增加，蛋白質含量反而上升［33］。李榮春［34］對煙葉在Cd脅迫下的研究顯示，低濃度Cd對硝酸還原酶和可溶性蛋白的含量有很強的抑制作用。肖清鐵等［35］對Cd脅迫下水稻葉片的蛋白質組學分析結果顯示，檢測到差異表達蛋白質主要與光合作用及細胞防御代謝相關。醇溶蛋白是小麥中最穩定的蛋白質之一，其含量的變化能夠真實地反映重金屬對小麥蛋白質基因表達的影響，研究表明，Cd2+脅迫下小麥的醇溶蛋白含量發生了顯著變化［36］。

絕大多數酶屬于蛋白質，Cd脅迫可導致蛋白酶的激活、變性及失活。Chen等［37］對陸地棉（Goss- ypium hirsutum L.）進行5 mmol/L Cd2+處理后，發現與抗氧化相關的還原酶和轉化酶以及與類黃酮生物合成和苯丙氨酸生物合成相關的酶表達量升高，證實植物以提高抗氧化系統、修復系統和轉運系統的活性來降低Cd毒性。而Cd2+達到10 mmol/L時，這些酶的表達量顯著降低表明植物受到了不可逆損傷。Cd不僅能夠影響蛋白酶含量及活性，還可以與蛋白酶結合進而調節其活性。三四脯氨酸（tristetraprolin，TTP）屬于一種鋅指蛋白，能夠與RNA相互作用調節炎癥反應，研究表明Cd能夠與其Cys3His結構域結合并降低其與RNA相互識別的概率［38］。

3 植物對Cd生理及分子的耐性機制

高濃度Cd脅迫對植物外部形態、生理代謝和細胞結構均造成一定危害，植物在長期對環境的適應中，也進化出相應的解毒機制（圖1），主要包括5個方面：（1）根際分泌物對土壤的酸化作用及對Cd的結合作用；（2）細胞壁和液泡的區域化作用；（3）植物螯合肽和金屬硫蛋白對胞質中游離Cd的螯合作用；（4）抗氧化系統對Cd引起的自由基清除作用； （5）重金屬轉運蛋白對Cd及其螯合物的轉運作用。

圖1 植物響應Cd脅迫的生理及分子機制Fig.1 Physiological and molecular mechanisms of plant response to Cd stress

3.1 根際分泌物

植物作為固著生長的生物，只能通過根部從土壤中吸收養分且無法避免吸收Cd，因此進化出相應的Cd排斥機制。植物阻止Cd進入原生質的第一道防線是主動釋放或被動滲透到土壤的根際分泌物，根際分泌物主要包括高分子的植物螯合劑和金屬硫蛋白以及低分子的H+、HCO3-、蘋果酸和檸檬酸等［39］。根際分泌物能夠螯合土壤中游離Cd并酸化根際土壤，在酸性環境中Cd2+與H+的競爭會加劇，進而減少根細胞Cd2+吸收量［40］。秋茄在Cd脅迫條件下，根細胞分泌的低分子量有機酸能夠降低根際土壤酸度，使土壤中Cd由游離態轉變成碳酸鹽結合態，從而抑制Cd進入細胞［41］。Lu等［41］對秋茄的研究也得到了相似結論，且表明根際分泌物能夠使根際土壤降低0.2-0.5個酸堿度單位。

3.2 區域化作用

區域化作用是通過將重金屬運輸到一些低代謝活性的亞細胞區域或器官中，是植物應對重金屬脅迫最有效的解毒途徑之一。細胞壁區域化作用是植物阻止Cd進入原生質體的第二道防線，細胞壁的結構物質纖維素、果膠和木質素中含有豐富的羥基和羧基等活潑基團，這些基團能夠與Cd結合，從而減少進入原生質體的Cd含量。并且Cd與果膠結合會使果膠膠聯，阻止細胞壁擴張減少Cd吸收［42］。研究表明，細胞壁區域化作用在植物應對Cd脅迫中起著重要的作用，如禾稈蹄蓋蕨（Athyrium yokoscense L）的根部細胞壁中Cd積累含量高達整個細胞總量的79%-90%［43］。Wang等［44］對大豆的研究表明，低Cd積累品種HX3 50.2%的Cd集中在果膠中；高Cd積累品種BX10 50.6%的Cd主要集中在纖維素中，表明Cd耐受程度不同的植物阻止其進入原生質體的機制存在差異。

液泡區域化作用在高等植物的重金屬解毒過程中也扮演著重要角色。植物細胞胞質和液泡內含有草酸、檸檬酸、蘋果酸和脯氨酸等小分子物質，這些物質具有S、N、O等能夠結合胞質中游離Cd的基團，并通過液泡轉運蛋白將Cd及Cd螯合物轉運至液泡進行暫時儲存，進而降低胞質中游離Cd的含量，減少其對生理代謝活動和其他細胞器的傷害。Wójcik等［45］對甘蔗（Saccharum officinarum L.）的研究表明，甘蔗莖和葉中精氨酸和亮氨酸含量隨Cd脅迫濃度的升高而增加。

3.3 螯合作用

螯合作用是利用植物螯合肽（phytochelatins，PCs）和金屬硫蛋白（metallothioneins，MTs）等螯合劑與胞質中游離Cd結合，從而緩解Cd對細胞器的破壞及代謝調節的影響［46］。PCs并非基因轉錄的直接產物，而是由甘氨酸、半胱氨酸和谷氨酸3種前體物質在植物螯合肽合酶作用下生成的含巰基的小分子多肽［47］。Cd脅迫刺激植物螯合肽合酶合成PCs，PCs能夠與Cd結合成低分子螯合物，然后通過轉運蛋白運輸進液泡暫時儲存或排出細胞加載到地上部［48-49］。據報道，已經在玉米（Zea mays L.）、菜豆（Phaseolus vulgaris L.）、番茄（Solanum lycopersicum L.）和小麥等植物中發現PCs。Howden和Goldsbrough等［50］從擬南芥中誘導并分離的cad1突變體，因缺乏PCs合成系統，植株表現為Cd敏感性增加。將PCs合成相關基因分離并轉入其他植物，能夠增加植物對Cd的耐性和積累量，如Martínez等［49］將TaPCS1轉入煙草中，導致轉基因植株對Cd和Pb的耐受性是其野生型的3倍和6倍。

金屬硫蛋白（MTs）是由重金屬誘導產生的富含半胱氨酸殘基的金屬結合蛋白，半胱氨酸含有的大量硫基，能夠結合胞質中游離Cd。MTs與PCs之間的區別在于，MTs是基因表達的直接產物且在植物的任何階段都進行表達［51］。研究人員已經在擬南芥、大豆和小麥等植物中發現并克隆了MTs基因，該基因轉入煙草能夠顯著提高植株Cd耐受性［52-53］。Du等［51］利用離子質譜法對不同濃度Cd脅迫下玉米中的MTs含量進行測定，發現呈現先高后低的趨勢，表明金屬硫蛋白在植物應對Cd脅迫中扮演重要角色。

3.4 抗氧化系統

Cd通過質膜上的轉運蛋白進入細胞導致胞內氧代謝不平衡，ROS含量急劇增加，嚴重時還會造成細胞大量死亡［54］。為了應對氧化脅迫，植物進化出酶類和非酶類兩類抗氧化系統，其中酶類包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧 化氫酶（catalase from micrococcus lysodeiktic，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）；非酶類則包括谷胱甘肽（glutathione，GSH）和抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）［55］。SOD的主要功能是將O2-歧化成O2和H2O2，利用CAT、POD和APX將H2O2進一步降解成O2和H2O。根據金屬輔基的不同，SOD又被分成Mn-SOD、Fe-SOD和Cu/Zn-SOD，這3類SOD分別定位于線粒體及過氧化酶體、葉綠體和細胞質［56］。CAT、POD和APX均能分解H2O2，但其反應機理有所不同：CAT在反應過程中不需要其他還原力輔助且具有較低的H2O2親和力，主要在高H2O2濃度時發揮作用；POD和APX在反應過程中需要其他還原力輔助，但其具有高H2O2親和力，并且POD不僅可以分解H2O2，還可以氧化酚類、胺類和苯類氧化時所產生的毒性物質，具有雙重解毒性［57］。除抗氧化酶外，植物細胞中還存在著由非酶抗氧化劑所組成的GSH-ASA抗氧化循環途徑。其中GR是該循環中關鍵酶之一，其功能是將氧化性谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSH）還原成還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH），該反應為自由基的清除提供還原力。低濃度Cd脅迫時，植物主要利用抗氧化酶系統應對過氧化脅迫，而當植物體受到高濃度Cd脅迫時，則由非酶抗氧化劑所組成的GSH-ASA抗氧化循環途徑發揮主要作用。

在鎘脅迫條件下，植物會增加抗氧化系統相關基因的表達來減輕過量ROS帶來的損傷。如陸地棉在高濃度鎘脅迫下會上調SOD、APX和GSH的表達量，保持高強度抗氧化活性來應對鎘脅迫［37］。Kim等［58］將多重脅迫抗性基因MuSI轉入煙草后，轉基因植株的CAT活性比野生型高兩倍且對Cd的抗性更好，證明MuSI基因能夠增強CAT活性，并在煙草對抗Cd脅迫過程中起重要作用。

3.5 重金屬轉運相關蛋白

植物對重金屬Cd及其螯合物的轉運在抗Cd脅迫中起著重要作用。由于植物細胞不具有Cd特異性轉運蛋白，所以Cd2+必須與其他必需二價金屬離子（如Fe2+/Ca2+/Mn2+）競爭轉運蛋白。Cd進入細胞后可能與草酸和脯氨酸等小分子物質或PCs和MTs等螯合劑結合，轉運蛋白將Cd及其螯合物轉運至液泡中暫時儲存，或排出液泡由木質部利用根壓和蒸騰作用經導管運輸到地上部進行儲存。明確植物中Cd及其螯合物相關轉運蛋白的性質及分類，對揭示植物抗Cd脅迫的調控網絡及篩選Cd低積累作物、進而利用Cd超富集植物修復污染土壤等具有重要作用。目前已鑒定的Cd轉運蛋白（圖2）主要包括Zn/Fe轉運蛋白（zinc and iron regulated transporter proteins，ZIP）、天然抗性相關巨噬細胞蛋白（natural resistance-associated macrophage proteins，NRAMP）、重金屬ATP酶（heavy metal ATPase，HMA）、金屬耐受蛋白（metal tolerance protein，MTP）、陽離子交換體（cation exchanger，CAX）、ATP結合盒轉運蛋白（ATP-binding cassette transporter，ABCC）、黃色條紋轉運蛋白（yellow stripe-like transporter，YSL）等。

3.5.1 Zn/Fe轉運蛋白（ZIP） ZIP家族成員眾多，一般都具有8個跨膜區和相似的拓撲結構且都具有與金屬離子結合的保守結構域，從而起到運輸金屬離子的作用（圖2-A）［59］。不僅能夠運輸Fe2+和Zn2+等必需金屬離子，也可以運輸Cd2+［60］，參與Cd轉運的主要包括ZNT1、IRT1、IRT2、ZIP1、ZIP2、ZIP3、ZIP4、ZIP5、ZIP6、ZIP8、ZIP9等成員。天藍遏藍菜（Noccaea caerulescens L.）中的NcZNT1基因是最早被發現的ZIP家族成員，其定位于質膜，研究表明過表達NcZNT1的擬南芥植株對Zn和Cd的耐受性及積累量增強［61］。轉運蛋白IRT1和IRT2在植物體內主要負責Fe的轉運且同時具有Cd轉運能力，水稻中OsIRT1和OsIRT2在缺Fe條件下表達量上升，增加了Cd的吸收及轉運，并且研究人員發現外源噴施赤霉素可以提高擬南芥Cd積累量，其是通過減少Cd依賴的NO積累及降低AtIRT1的表達水平來實現的［62-63］。AtZIP1、BctZIP2及SaZIP3的酵母突變體均表現出Cd高度敏感性，且小白菜（Brassica pekinensis L.）和東南景天在Cd脅迫前后的轉錄組數據顯示，BpZIP2和SaZIP3表達量顯著提高［64-66］。ZIP4和ZIP6成員具有較強的Cd轉運能力，擬南芥AtZIP4在Cd脅迫條件下的表達量增加了193倍，ZIP6在酸性條件下轉運Cd的能力也有提升［67-68］。研究人員發現ZIP5、ZIP8和ZIP9均受Cd脅迫的誘導，異源酵母表達和表觀遺傳沉默技術證明了他們能夠增加細胞內的Cd積累［69-70］。

3.5.2 天然抗性相關巨噬細胞蛋白（Nramp） Nramp是一類具有膜整合蛋白特性的重金屬轉運蛋白家族，其成員最早發現于小鼠體內，通常含有1個轉運蛋白結構域和10-12個跨膜區，主要負責Fe2+、Mn2+運輸，但其過表達也提高了Cd2+轉運速率（圖2-B）［71］。Bozzi等［72］指出與金屬結合的結構域上含有的甲硫氨酸殘基是決定轉運蛋白與Cd結合的關鍵。Nramp家族參與Cd轉運的成員包 括Nramp1、Nramp2、Nramp3、Nramp4、Nramp5及Nramp6。研究人員利用RNA-seq技術篩選出黃瓜（Cucumis sativus L.）中2個與Cd脅迫相關的基因Nramp1/4，其亞細胞定位于質膜，轉基因實驗證明這兩種轉運蛋白均具有轉運Cd的能力［73］。黑麥草（Lolium multiflorum L.）在Cd脅迫條件下，根莖葉中Nramp2的表達量顯著增高［71］；擬南芥中AtNramp3的過表達導致Cd的大量積累，敲除后轉基因植株對Cd的耐受性增強［74-75］。Cailliatte等［2］對水稻OsNramp5基因的敲除實驗以及Sasaki等［76］對擬南芥AtNramp6的過表達實驗也得到了相似的結論，即Nramp5及Nramp6具有轉運Cd的能力。

3.5.3 重金屬ATP酶（HMA） 定位于質膜和液泡膜上的P型ATP酶包括5個亞家族：P1B、P2A/P2B、P3A、P4和P5，其中P1B型也被稱為重金屬ATP酶（HMA），其廣泛存在于植物中（圖2-C）。HMA能夠利用ATP水解產生的能量，吸收和轉運Cu2+、Co2+和Zn2+等必需金屬離子，同時也可以轉運Cd2+和Pb2+［77］。通常HMA含有6-8個跨膜區和3個結 構域，分別為可溶性核苷酸結構域、磷酸化結構域和可溶性制動器結構域［78］。參與Cd轉運的HMA家族成員包括HMA1、HMA2、HMA3、HMA4和HMA5。轉運蛋白HMA1/2/3的亞細胞定位均位于液泡膜，Zhao等［79-80］的研究表明，SpHMA1在Cd超積累型東南景天中的表達量比非超積累生態型高200倍以上，且SpHMA1和OsHMA2過表達增強了Cd敏感性和Cd轉運活性。Park和Ahn［81］發現擬南芥中AtHMA3的表達量與Cd的耐受性成正相關。AtHMA4定位于質膜且集中在根部維管組織的導管細胞中，過表達AtMT2B和AtHMA4的擬南芥植株，其Cd和Zn的耐受性及積累量高于野生型，但在AtHMA4單轉化系統中Cd積累量并不高，推測可能是由于雙轉化系統基因相互作用的結果［82］。目前，仍不能確定HMA5的亞細胞定位。甜芒（Miscanthus sacchariflorus L.）在受Cd脅迫時，MsHMA1、MsH- MA2和MsHMA5的表達量均上調且與qRT-PCR結果一致，同時植株的Cd積累量也顯著增加［83］。

3.5.4 金屬耐受蛋白（MTP） MTP通過吸收和排出胞質溶膠中的金屬來維持植物細胞內的金屬穩態，其家族成員通常為二聚體且含有6個跨膜區，N端的信號肽序列位于第1個跨膜結構域，C端的陽離子結合結構域位于第2個跨膜結構域，第4、5跨膜結構域是富含組氨酸的可變區，研究表明該可變區可能在金屬轉運中扮演重要的角色（圖2-D）［84-85］。參與Cd轉運的MTP家族成員包括MTP1和MTP11。OsMTP1定位于液泡膜，研究表明水稻OsMTP1的表達受Cd脅迫的誘導，將OsMTP1異源表達于煙草能夠降低Cd脅迫誘導的毒性效應，轉基因煙草比野生型植株表現出更強的Cd耐受性和積累能力［86］。MTP11定位于反式高爾基體，OsMTP11主要負責將Mn2+由胞質轉運進高爾基體，但其也具有轉運Cd的能力，從而賦予植物耐Cd的特性，如酵母SpMTP11突變體在Cd脅迫下生長不受限［87-88］。

3.5.5 陽離子交換體（CAX） CAX家族成員是一類低親和性的陽離子/H+反向轉運體（cation/H+antiporter），其定位于液泡膜上，具有轉運Cd2+、Mn2+、Ca2+并調節胞質內陽離子濃度的功能（圖2-E）。CAX家族成員一般具有11個跨膜區，且在物種間表現出功能多樣性［89］。參與Cd轉運的CAX家族包括CAX1、CAX2和CAX4。CAX一般定位在液泡膜上，其利用H+梯度將Cd2+協同運輸進液泡，以防胞質中高濃度Cd損傷細胞器［90］。最初在釀酒酵母中被鑒定為Ca2+/H+反向轉運蛋白的是CAX1和CAX2［91］。研究表明AtCAX1突變體的Cd轉運和積累能力增強，且過表達AtCAX1基因的矮牽牛（petunia enhances L.）在Cd處理下，其長勢明顯比對照植株更旺盛［92］。CAX2對Cd有較高的親和力，其在酵母中表達抑制了由Cd和Mn引起的生長缺陷，過表達CAX2的轉基因煙草，植株根部細胞能夠積累更多的Cd和Mn［93］。相對于CAX1，CAX2和CAX4具有更高的Cd轉運能力，Mei等［94］研究表明，AtCAX4擬南芥轉基因植株Ca2+/H+轉運蛋白的含量增加了29%，而AtCAX4缺失突變系的生長受到了Cd和Mn的抑制。

3.5.6 ATP結合盒轉運蛋白（ABC） ABC家族成員眾多且大小各異，氨基酸殘基數從250到1 800不等，其成員按結構主要分為全轉運子和半轉運子兩種類型，全轉運子的核心結構包括兩套核酸結構域和跨膜結構域，而半轉運子只含一套（圖2-F）［95］。ABC家族不僅參與金屬離子及其螯合物的運輸，還能夠運輸激素、次生代謝物和脂質等物質［96］。根據成員大小和結構域等最終將ABC家族分成12個亞家族，其中參與Cd及其螯合物轉運的亞家族包括：MRP（muitidrug resislance-associated protein）、PDR（pleiotropic drug resistance）和ATM（transporter of the mitochond）3個亞家族。MRP家族成員的亞細胞定位是液泡膜，其參與Cd螯合物轉運成員包括YCF1（yeast cadmium factor）、ABCC1、ABCC2、ABCC3和ABCC6。Bhuiyan等［97］將ScYCF1轉 入芥菜（Brassica juncea L.）后發現，轉基因芥菜幼苗比野生型耐Cd性增加了1.3-1.6倍，同時Cd積累量也升高了1.5-2倍。擬南芥AtABCC1單突變體和AtABCC1、AtABCC2雙突變體均表現出低Cd耐受性，而過表達該基因能夠顯著增強Cd耐受性和積累量。Brunetti等［98］證明了AtABCC3具有將Cd轉運進液泡的功能，并且AtABCC3補充了AtABCC1和AtABCC2雙突變體的Cd敏感性，表明三者在功能上具有相似性。Gaillard等［99］研究表明在Cd脅迫處理下，AtABCC6的表達明顯上調，且其突變體植株的生長比野生型更容易受到Cd脅迫。除了MRP亞家族外，PDR和ATM亞家族也具有轉運Cd的能力，但與MRP亞家族不同，PDR8定位于質膜上且負責將Cd排出細胞，Sheng等［100］研究表明，WRKY13位于AtPDR8的上游并正向調控其表達，過度表達WRKY13植株的Cd積累量減少。ATM3定位在葉綠體膜上，ATM3轉運體負責將Cd螯合物轉運進葉 綠體［101］。

3.5.7 黃色條紋轉運蛋白（YSL） YSL蛋白家族能夠介導植物體內金屬離子及其與煙草胺（nicotinamide，NA）形成的螯合物的跨膜運輸和由根到地上部的長距離運輸，該家族成員一般具有15個跨膜結構域，其中包含兩個可變區，參與Cd運輸的家族成員包括YSL1、YSL3、YSL6、YSL7（圖2-G）。ZmYSL1蛋白是最早被鑒定出的YSL家族成員，以往研究表明，YSL1具有轉運Cd-NA螯合物的能力，但其轉運速率較低；Schaaf等［102］對麥芒（Miscanthus sacchariflorus L.）的研究也得到了相同的結論，即YSL1具有轉運Cd-NA螯合物的能力。YSL3受Cd、Fe及Cu的缺乏性誘導后，同樣能夠介導Cd和Cd-NA的轉運及長距離運輸，將SnYSL3異源表達于酵母中發現Cd移位率顯著增加，龍葵轉基因植株也得到了相同的結果［103］。研究表明VcYSL6的亞細胞定位是葉綠體，Cd脅迫下藍莓（Vaccinium ssp L.）VcYSL6基因表達量顯著上調，VcYSL轉基因煙草植株在Cd脅迫下其葉片鎘含量增加了15.57%［104］。Zhang等［105］對油菜（Brassica campestris L.）的研究也表明，Cd脅迫下植株的YSL7表達量顯著增高。

圖2 7種常見的重金屬轉運蛋白結構圖Fig.2 Structures of 7 common heavy metal transporters

4 展望

植物對Cd的吸收、轉運及耐受性機制像一張巨大的網絡，內容涉及植物學、植物生態學、植物生理學、土壤化學和分子生物學等多門學科以及分子、細胞器、細胞和個體等多個層次。本文介紹了重金屬Cd對植物生理代謝和分子層次的危害以及植物應對Cd脅迫的抗性機制，通常情況下，植物利用體內的一些機制避免胞質中Cd的過量積累，這些機制主要包括：根際分泌物外排酸化根際土壤并結合Cd；細胞壁絡合Cd阻止其進入原生質體；利用胞質溶膠中的螯合劑沉淀Cd以及通過轉運蛋白將Cd和Cd螯合物進行區域化隔離。而當植物體內Cd積累過多時，植物則會啟動抗氧化系統來清除ROS。不同植物對不同種金屬離子所采用的措施具有特異性，并沒有一個單獨的機制能夠解釋植物對各種金屬離子的耐受性。

近年來，隨著組學技術的發展，Cd與植物相互作用的分子機制研究日益增多。植物響應Cd脅迫的機制取得了一定的進展，但由于植物對Cd脅迫的響應機制不僅與Cd脅迫的濃度和時間相關，還與植物種類、生長階段及組織類型等密切相關，故該過程還存在較多問題亟待解決。如：（1）超積累植物相較于其他植物具有更好的Cd耐受性，取決于超積累植物能夠利用轉運蛋白將體內游離Cd及其螯合物轉運到低代謝活性的器官、組織或細胞器中，但對于Cd在植物體內的復雜轉運系統尚不清楚；（2）研究人員通過轉錄組學研究發現了許多與Cd脅迫相關的基因，但是大多數缺乏進一步的功能驗證研究；（3）植物與Cd相互作用的機制是由多條信號通路相互協調所組成的一個完整性的調控網絡，調控網絡中的具體組成元件和它們對提高植株耐Cd性的具體作用尚未完全明了，因此還需要鑒定出更多的耐Cd基因，特別是調控基因，以擴展我們對耐Cd信號轉導途徑中調節因子的了解。因此，進一步討論和總結Cd與植物相互作用的規律有著重要的意義。