植物耐重金属的分子生物学研究进展

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摘要

在过去的几十年中，由于矿石开发、工业“三废”的排放和农业上大量化肥、农药的施用，土壤中重金属的污染已经成为一个严重的环境问题。农作物从土壤中摄取重金属并在植物体内积累，影响了作物的产量和品质，更为严重的是通过食物链进入人体，影响人类健康。作为固着生长的生物，植物只能从土壤中吸收生长发育所需的营养物质，同时也将那些存在于土壤中的重金属吸收进体内，对其代谢产生严重影响。植物通过不断的进化和环境选择，产生了一系列耐受机制，降低了重金属对植物的毒性。本文将对近年来开展植物耐重金属胁迫的分子机理方面的研究进行综述，旨为该领域的相关研究提供资料。

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重金属对植物的影响

有些重金属对植物的生长是必需的，如铜和锌，但属于微量必需元素，植物吸收超量就会有毒害作用，引起代谢紊乱，生长受阻。铜（Cu）的毒性是增强活性氧的产生能力，进一步导致植物生长发育迟缓，减少根的萌发和侧根的产生。Llorens 等研究表明，当大豆暴露于过量铜就会破坏氮的代谢和固定，从而造成大豆的减产。锌（Zn）毒性的主要症状是萎黄病和叶片变红，在叶上出现坏死棕色斑点，伴随着发育不良和减产，也抑制主根的生长和侧根的出现。高浓度的锌还会取代 PSII 反应中镁（Mg），因此会破坏光系统和电子传递链。Ren 等研究表明在菠菜属中质体 ATP 综合体也受到 Zn 毒限制，影响了植物的正常生长。

土壤中存在的非必需元素也会影响植物的生长发育。镉（Cd）和铅（Pb）因为容易被植物吸收，可以很容易地进入食物链，是危害人类健康最严重的重金属。在根部细胞，Cd 造成水和营养物吸收的不平衡，干扰钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）和磷（P）的吸附，抑制根部酶类所涉及的营养物的新陈代谢。镉在细胞水平会干扰有丝分裂，造成染色体畸变，抑制有丝分裂进程。DalCorso 等研究发现，在拟南芥中，镉诱导突变导致花香异常、胚畸形和种子萌发力弱等症状。铅的毒性和其他重金属一样引起相似的症状，即抑制生长、萎蔫、死亡。Eun 等发现玉米根系吸收铅后，会降低生长速度，干扰根分生组织的微管网络的形成，导致临近根尖的区域变短，分布的侧根更加密集。

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植物对重金属的耐受机制

重金属对植物的生长发育产生影响，植物自身也产生了一系列的耐受机制。这些机制主要有 ：一是外排和阻止重金属的吸收来减少其在植物体内的含量 ；二是通过络合作用和螯合作用，减少细胞中游离的金属离子 ；三是通过提高抗氧化酶活性来清除活性氧和自由基。

2.1 植物对重金属的排斥机制

植物和其他生物一样，在生长的过程中已经进化出复杂的体内平衡机制，以尽量减少重金属的伤害。排斥机制是通过阻止重金属离子进入植物体，来防止重金属离子在细胞内积累，从而减小伤害。植物通过以下两道防线来排斥重金属的进入 ：第一道防线是植物的根部分泌如苹果酸或柠檬酸进入土壤，与金属离子结合阻止根系吸收；第二道防线是细胞壁和细胞外的碳水化合物，能固定有毒重金属离子，阻止它们进入细胞质，影响细胞内的代谢活动。Carrier 等研究发现，在重金属 Cd 的胁迫下，在细胞壁上出现Cd²⁺高电子密集体，Cd 离子被隔离在细胞外，减少对细胞的毒害。质膜在植物抗重金属毒害过程中也起到了重要的作用。质膜是原生质体与外界环境的屏障，控制着细胞内外的信号转导与物质交换，维持细胞内环境相对稳定。质膜表面具有电荷性，带有很强的负性电荷，会与带正电荷的重金属离子结合，使膜对金属离子更加敏感，重金属离子结合在膜上从而被阻止进入细胞内。Liu 等利用 EELS 法证实含有Cd²⁺ 高电子密度的颗粒进入细胞内部时被细胞质膜包裹，以此减少细胞质中游离 Cd²⁺ 的数量，降低 Cd 对细胞的伤害，证明细胞膜对重金属具有很好的敏感性。

2.2 植物对重金属的耐受机制

金属离子进入细胞中产生活性氧，活性氧能与蛋白质、脂类和 DNA 等发生反应，引起酶活性降低、膜透性增强及突变增加等，清除活性氧是降低其对生物大分子伤害的一个重要措施。植物可以通过产生植物络合素、金属硫蛋白、氨基酸和有机酸等清除活性氧，减小活性氧对细胞的毒害。

2.2.1 植物螯合肽

植物螯合 肽（phytochelatin， PC）广泛存在植物界，这种多肽不是由基因直接编码产生，而是在重金属诱导下，由植物螯合肽合成酶（PCS）催化谷胱甘肽合成。进入植物体内的金属离子可以与 PC 形成稳定的螯合物隔离到液泡中，从而降低细胞内游离金属离子的浓度。PCS 基因已从芥菜属（BjPCS1）小麦（TaPCS1）、 水稻（OsPCS1）和拟南芥（AtPCS1）中被克隆。 Gusic 等研究发现 AtPCS1 的表达提高了 PC 合 成，并且增强转基因芥菜对镉和砷的耐性。

2.2.2 金属硫蛋白 

植物金属硫蛋白（metallothion-ein，MT）是一种广泛存在的低分子量、富含半胱氨酸和结合金属的蛋白质，可以通过其大量的 Cys残基螯合重金属并清除活性氧。与 PC 不同的是，MT 是受重金属胁迫的诱导由 mRNA 转录直接合成的。MT 基因能够在植物生长发育的不同阶段表达，应答不同的重金属离子的胁迫。编码 MT 的基因已经在豌豆、芥菜、烟草和拟南芥中克隆。通过研究发现拟南芥中的 MT2 基因在Zn²⁺的诱导下表达，从而提高了植物对Zn²⁺的耐性。 

2.2.3 氨基酸和有机酸 

有机酸和氨基酸中的 S、N、 O 可以与金属离子发生反应，被认为是金属离子的配体。植物因有机酸中的柠檬酸、苹果酸和草酸对重金属发生螯合作用而具有一定的耐性。氨基酸中的组氨酸在金属超积累方面有重要作用，特别对Ni 有很高结合力，Krämer 等研究发现植物暴露在 Ni 中时，植物的木质部中的组氨酸的浓度增加，与 Ni 离子结合而降低对植物的毒害。

2.3 抗氧化酶的防御机制

活性氧（ROS）属于自由基类的高活性氧化剂，其化学性质非常活泼，氧化能力极强，并且极易与其他物质反应。植物体内 ROS 不完全还原形成过氧化氢（H₂O₂）、超氧自由基（O^2-）、羟基自由基（-OH）和分子氧的激发态（单线态氧），它们作为强氧化剂能与各种各样的生物大分子反应，损伤蛋白质、核酸和膜脂等。当重金属胁迫诱导下植物体内 ROS的含量升高，在细胞内造成严重的氧化胁迫引起细胞损伤。研究发现植物体内的抗氧化防御机制能够保持活性氧的形成在较低的水平。植物细胞有酶类和非酶类两种抗氧化系统，前者包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）和过氧化氢酶（CAT）；后者有谷胱甘肽、抗坏血酸、维生素和类黄酮等。随着重金属的胁迫，抗氧化酶类也会增强表达提高活性，以应对细胞内活性氧和自由基增加而减少伤害。CAT 是抗氧化系统中的一种关键酶，可以参与过氧化物酶系统反应催化H₂O₂ 的分解，在胁迫下可降低 H₂O₂ 的含量。现已从植物体成功克隆出 4 种不同的 CAT 的基因序列，并发现当受到重金属镉胁迫时 CAT3 的含量将增加。 用镉处理豌豆时发现，镉可使谷胱甘肽、抗坏血酸等含量降低，CAT 和 MDHAR（单脱氢抗坏血酸还原酶）的转录水平增高，但 CAT 的活性和含量下降，镉的作用应发生在翻译后的修饰上。实验还发现 GR 和 APX（抗坏血酸过氧化物酶）的活性和基因表达基本不受镉的影响，但镉胁迫降低 CuZn-SOD的表达和活性。镉的作用与 ROS 代谢及Ca²⁺通道、磷酸化和去磷酸化过程、一氧化氮、环腺苷酸、水杨酸及过氧化氢等信号物质存在密切而复杂的联系。

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植物耐重金属基因研究

近年来已鉴定和推测出参与重金属响应的众多基因，这些基因的表达对重金属离子在细胞中的运输、富集以及提高植物的抗性等方面都有重要作用。其中以重金属运输相关的蛋白基因的研究最为广泛，主要包括 ATP 结合盒（ATP-binding casse-tte，ABC）转运家族、锌 / 铁调节转运蛋白（zinc/iron-regulated transporter protein，ZIP）家族、重金属 ATP酶（heavy-metal ATPases，HMAs）家族和阳离子扩散促进者（cation diffusion facilitator，CDF）家族等，这些蛋白基因都对提高植物对重金属的耐性有作用。

3.1 ABC转运家族

ABC 转运家族属于膜蛋白最大家族之一，具有种类繁多、分布广泛、运转物质类型多样等特点。各种 ABC 蛋白在结构上都包含 2 个由 4-6 个跨膜片段组成的高度疏水区域（TMD）和 2 个外围细胞质的 ATP 结合区域或核苷结合区域（NBD）。ABC蛋白主要参与多种物质的运输，包括离子、碳水化合物、脂质、异生素、抗生素和重金属等，而且一些 ABC 蛋白质不仅可以直接运输离子或其他溶质，还具有监管转运的功能。根据 ABC 蛋白上 TMD和 NBD 区域的结构可以将其分为 3 种类型：多向耐药性蛋 白（pleiotropic drug resistance，PDR）、多药耐药性蛋白（multidrug resistance，MDR）和多药耐药相关蛋白（multidrug resistance -associated proteins， MRP），这 3 种蛋白都与金属离子的运输有关。

PDR 与 MDRs 和 MRPs 同样具有两个基本的结构域 ：TMD 和 NBD，TMD 由 6 个 α 螺旋组成，胞质内结构域有 1 个 NBD。不同的是，MDRs 和 MRPs的 NBD 结构域位于 C 末端，而 PDRs 相反，NBD结构域位于其 N 末端。现已在拟南芥中发现了PDR 家族的 15 个成员，其中已研究分离出与重金属胁迫相关 AtPDR12 和 AtPDR8 基因。Kim 等通过检测发现在 Cd 和 Pb 处理下，拟南芥中 AtPDR8 的表达上调。AtPDR8 过表达植株对镉或铅的耐性比野生型更高，体内游离镉离子浓度更低。Lee 等研究发现在 Pb 胁迫的拟南芥根部和嫩枝中，AtPDR12的浓度增加。过表达 AtPDR12 的拟南芥对 Pb 有很高的耐性，并比野生型积累更低的 Pb ；而在 Pb 的胁迫下 atpdr12 突变体植株生长较差。MDR 亚家族与 MRPs 和 PDRs 相比研究的较少， MDRs 与 MRPs 基本结构组成相同，但在 N 末端不 同，在 MRPs 有一个大约 220 氨基酸组成的高度疏水的 N 端延伸区。而且还发现 MDRs 与植物生长素的运输有关，限制根部细胞的生长。MDRs 基因已经从拟南芥克隆，而且证实 AtMDR1 和 AtPGP1可以外排有毒代谢物以此来抵抗有毒物质胁迫， CjMDR1 也是 MDR 亚家族的一个成员，可以运输生物碱，使其在根部积累。MRP 亚家族能够广泛运输许多重金属，如 As、Cd、Sb、Hg 和 Zn 等。研究表明 MRP 在运输中可以充当镉泵，参与跨液泡膜转运 GS2-Cd 复合物和/ 或Cd²⁺螯合物。Wojas 等研究发现， AtMRP7 在烟草的异源表达定位在液泡膜和质膜，可改变烟草对镉的积累、分配和耐性。AtMRP7 基因在液泡膜上的过量表达，产生的 MRP 转运蛋白将镉转运到叶片的液泡中，提高了液泡中镉的含量，从而减少了镉对烟草的毒害。ABC 转运家族的种类繁多，除了以上 3 种之外 ATM 也是 ABC 运输者的亚家族，主要位于线粒体膜上，通过增强 Fe-S 簇的合成和 Fe-S 簇从线粒体运输进入液泡诱导表达参与重金属的运输，AMT 亚家族中的 AtATM1、AtATM2和 ATATM3 三个成员在拟南芥中已经被克隆。 Kim 等通过基因表达分析发现 Cd 和 Pb 处理后， AtATM3 在植物的根部表达上调 ；过表达 AtATM3 的转基因植物提高了对 Cd 的耐性，而 atatm3 突变体植物比野生型对 Cd 更加敏感。

3.2 锌/铁调节转运蛋白（ZIP）家族

ZIP 家族可以提高阳离子的吸收和积累，一些ZIP 基因如 AtZIP4、NcZNT1 和 TjZNT1 已经在不同植物中被发现，TjZNT1 能够参与 Zn、Cd 和 Mn 等转运，在植物重金属解毒中有重要作用。其中bZIP 基因是 ZIP 家族的一个重要代表在不同生物过程和应答胁迫中被着重研究。植物中 BjCdR15（bZIP家族成员）能够调控植物络合酶的合成和几种金属转运；镉处理后，BjCdR15 主要在表皮和维管系统表达，在根和叶中的表达也有增加 ；过表达BjCdR15 的拟南芥和烟草对镉的耐受性得到增强。

3.3 重金属ATP酶（HMAs）家族

HMAs 家族在植物和动物中均存在，负责阳离子的跨膜转运，是一个转运蛋白超级家族。HMAs可以运输Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺ 和 Co²⁺等金属离子过膜而排出细胞，对生物体内各种金属的平衡起重要作用。    

HMAs 家族中 HMA1、HMA3 和HMA4 都已经从植物体中被分离鉴定。研究发现在拟南芥中 HMA 超表达促进了 Zn 和 Cd 从根到嫩枝的转移，并最终转移到液泡中储存，表明其在重金属的耐受和积累中有重要的作用。

3.4 阳离子扩散促进者（CDF）家族

CDF 家族对于金属新陈代谢的维持是非常重要的，可以调节金属离子从细胞溶质的输出和进入液泡。CDF 的结构特征是 ：存在于真核生物和原核生物的生物膜上，具有 6 个跨膜域，1 个 C 端阳离子结合域，1 个 N 末端特有的信号序列和 1 个阳离子排出域等。CDF 家族中的 13 种成员已经被分离鉴定，其中 7 种参与 Zn、Cd 和 Co 转运。MTP1 是CDF 蛋白家族的一个成员，属于液泡膜运输器。研究发现拟南芥的 CDF 蛋白 AtMTP1 在重金属 Zn 的胁迫下超表达，提高了拟南芥对 Zn 的耐受性和积累，并且能将 Zn²⁺ 隔离在根部的液泡中，从而降低游离金属离子对植物的毒害。在重金属解毒作用的研究中，除了以上 ABC 家族、ZIP 家族、HMAs 家族和 CDF 家族外，还有很多与运输金属离子相关的基因，如 Nramps( natural resistance-associated macrophage protein )家族、铜离子转运蛋白( copper transporter，CTR )家族和 YST（yellow-stripe 1-like）家族等。这些基因家族的表达也对重金属离子在细胞中的运输及提高植物的抗性等方面都有重要作用。

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结语

随着工业和农业的不断发展和人类活动范围的不断扩大，造成土壤重金属污染越来越严重，重金属污染已是一个严重的环境问题。植物对重金属的耐受性反映了其阻止重金属的毒害的能力，植物通过细胞壁和质膜阻止吸收重金属，通过对重金属的络合和螯合作用及在液泡中的隔离，以及通过提高抗氧化酶活性清除自由基等方式来减轻重金属造成的伤害。随着分子生物学发展，将会在在植物中发现更多的与重金属胁迫相关的基因，对它们的研究将成为未来植物抗重金属胁迫的研究重点。

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