缓解植物重金属胁迫伤害的途径及其机理

姚 慧，蔡庆生

(南京农业大学 生命科学学院，江苏 南京 210095)

土壤是人类赖以生存的重要资源，它对环境的变化具有高度敏感性。随着工农业的发展，许多重金属污染物通过大气沉降、地矿渗漏及工业废水、生活污水等途径进入土壤［1］，使土壤中富集过多的重金属。重金属指比重大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。这些金属元素如超过背景含量，就可能导致植物生长受到抑制、发育异常甚至中毒死亡，所以在重金属高度污染的地区很难有植物能生长存活，造成土地浪费。前人研究表明，金属对植物的毒性可能是金属和蛋白中的巯基结合而导致蛋白质活性的抑制或结构的破坏，也可能是由于蛋白中的关键元件被取代造成缺陷影响［2］，或者是金属离子对植物代谢造成的次级胁迫。近年来，科学工作者做了很多的研究工作来探索提高植物体内重金属抗逆性的方法，希望能实现重金属污染土地的再利用。本文介绍几种提高植物重金属耐受性的方法。

1 矿质元素对植物重金属耐受性的影响

某些矿质元素能增强植物对特定重金属胁迫的耐受性，例如硫、钾可以减轻植物受铜胁迫的程度;钙和硅能够降低过量铝离子对植物的伤害;硼、硒等矿质元素对植物抗铅污染有很好的促进作用。这些矿质元素都是植物生长的必需元素，其增强植物对重金属耐受性的机理是通过增加植物的必需元素的摄入量，使植物生长更旺盛，抗逆性增强，从而增强植物抗重金属胁迫的能力。

1.1 对植物抗铜胁迫的影响

研究表明，矿质元素硫和钾能减轻植物受铜胁迫的程度。王海鸥等［3］在提高水稻的铜耐受性实验中发现，较高浓度的硫 (10 mmol·L-1)能抑制植物根部对铜的吸收积累，还可以激活抗氧化酶类活性，消除胁迫产生的膜脂过氧化胁迫，因此能较快降低铜离子毒性。GSH(谷胱甘肽)和 Cys(半胱氨酸)等小分子巯基化合物的存在也可以缓解重金属毒害。除硫以外，外源钾亦可减轻植物受铜胁迫的程度。陈雪梅等［4］发现，钾能明显提高铜胁迫下三叶草种子的萌发率，促进幼苗生长，使生物量、光合色素含量显著增加，同时幼苗叶片细胞膜透性显著下降，表明钾对三叶草的铜毒害有缓解作用。

1.2 对植物抗铝胁迫的影响

钙和硅对增强植物抗铝胁迫的能力也有很好的效果。席玉英等［5］研究证明，钙、锌能抑制玉米幼苗对镉、铅的吸收和运输。钙离子能够稳定细胞膜，对于铝过量引起的破坏植物细胞膜结构和功能的情况有很好的抑制作用。然而钙增强植物抗铝胁迫能力的机制仍有争议:一部分人认为，A13+胁迫下Ca2+能增强玉米幼苗保护酶 SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)和CAT(过氧化氢酶)的活性，从而减少自由基的积累，降低铝离子胁迫的伤害［6］;另一部分人认为，根细胞钙含量增加能够提高根系液泡膜 H+-ATPase，H+-PPase，Ca2+-ATPase活性，减轻铝对细胞正常功能的影响，降低铝毒害作用［7］;还有人认为，铝离子和钙离子对保护酶活性的拮抗关系可能与两者竞争结合钙调素 (CaM)的结合位点有关，两者通过影响CaM的结构与功能从而影响到靶酶的活性。究竟何种说法正确至今尚无定论。钙不仅能缓解铝毒害作用，还能降低土壤中铜、镉、铅等重金属的污染程度［8］。此外，硅也能缓解铝对水稻的毒害，且对铝敏感品种比耐铝品种效果更好［9］。硅通过促进植物生长、局部化和钝化重金属离子来缓解重金属对植物的毒害，其作用机理是可溶性硅酸盐在水溶液中水解生成凝胶状H4SiO4，从而吸附有毒金属离子及其他有害物质［10］。在农田中施加硅肥不仅能增加作物产量，改善作物品质，还能有效地防止镉元素对农作物的污染［11］。

1.3 对植物抗铅胁迫的影响

硼和硒能够影响植物抗铅胁迫的能力。王学以水生植物蜈蚣萍为实验材料研究发现，施加外源硼能有效缓解铅毒害。铅对植物的毒害机理是随着铅浓度的升高，植物体内叶绿素和可溶性蛋白含量逐渐下降，抗氧化酶系统的平衡被打破，过氧化根离子产生速率急剧上升。而外施硼有效维持了抗氧化酶系统的平衡，降低了过氧化根离子产生速率，并提高了铅胁迫下蜈蚣萍叶内可溶性蛋白和叶绿素含量，从而缓解植物所受的铅毒害［12］。另外，硒元素也能缓解植物铅胁迫。刘燕等［13］研究表明，低硒浓度有利于缓解铅对油菜重金属毒害作用，促进油菜的根冠比、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、叶绿素含量的增加，促进油菜的生长;但是高硒浓度则会降低油菜的各种生理活性，阻碍其生长。

2 植物生长调节物质对植物重金属耐受性的影响

植物生长调节物质如脱落酸 (ABA)、水杨酸等，能通过调节植物的生长状况来改善重金属胁迫下植物的生长状况，增强其抗逆性。脱落酸是一种植物内源激素，它能诱导植物对低温、盐害、重金属等非生物胁迫的抗性，赵鹂等［14］研究发现施加外源ABA，能有效恢复汞胁迫下种子萌发活力，增强植物的抗逆性。水杨酸作为一种植物生长调节物质，也能影响植物对重金属的耐受性。陈珍等［15］研究表明植物在重金属胁迫下，利用水杨酸处理或预处理都能促进植物的生长，降低质膜透性，减少丙二醛的积累，促进根系生长，使其能正常发挥吸收功能，并推测水杨酸可能通过参与调节光合作用速率和效率来增强植物对重金属胁迫的抗性。

3 微生物对植物抗重金属能力的影响

在长期受重金属胁迫的土壤中，某些种类微生物 (细菌、真菌等)能产生抗性来减轻重金属的毒害作用。在植物根际-微生物系统中，微生物可分泌出质子、有机物质、酶等，对土壤中的重金属起活化作用［16］，如某些细菌分泌出的酸性磷酸酶，对重金属有很强的活化作用［17］。细菌、真菌、内生菌根和外生菌根对重金属有吸收和吸附的作用，微生物吸收重金属后、代谢分泌物与重金属结合后，改变了重金属的形态，如离子态的重金属形成金属-有机物结合态，减轻了重金属在土壤中的毒性［18］。目前微生物强化植物修复方面的研究多集中于菌根真菌的研究，菌根真菌是改进超富集植物修复性能的有效手段，在修复遭受重金属污染的土壤方面发挥特殊的作用［19］。菌根减轻了植物在重金属污染土壤中的受害程度，对于植物抵抗重金属伤害至为重要［20］。通过筛选重金属铅镉抗性菌株、增强植物抗重金属能力来实现强化植物修复铅镉污染土壤是非常有效的手段［21］。

4 基因工程强化植物修复重金属污染土壤能力

通过基因工程技术提高植物对重金属的耐受能力，增加或减少重金属在植物体内的累积量，是进行污染土壤的生态恢复以及减少食物链重金属污染的有效途径。支力峰等［22］研究发现，过量表达脯氨酸的转基因烟草细胞对毒性重金属的抗性有所增强。该实验利用转基因技术将飞蛾豆p5cs基因整合到烟草细胞基因组中，并在转基因烟草中得以表达。转基因烟草细胞中的脯氨酸含量比野生型细胞提高了80%，在毒性镉胁迫下生长情况比野生型好。其原理是当遭受重金属毒害时，植物细胞会大量积累脯氨酸，而脯氨酸能够缓解细胞质酸度，防止细胞质酸中毒，还能将NADP+/NADPH的比值维持在代谢速率水平［23］。在野生型细胞内镉大量积累而无法清除，细胞中自由基增多，导致蛋白质、脂类及其他生物分子发生非特异性破坏［24］;而转基因烟草的细胞质中由于镉所引起的自由基能被脯氨酸清除。该实验说明脯氨酸直接充当抗氧化剂，保护细胞免受自由基的损伤，并维持细胞较还原的细胞质状态，即高GSH水平。GSH与Cd的络合物 (GS-Cd)作为植物重金属螯合肽PC合成的底物，促进PC大量合成，PC与镉螯合，从而将镉从细胞中清除［25］。柴团耀等［26］研究发现，将重金属特异诱导基因PvSR2(法国菜豆中克隆产生)导入到烟草中后，与野生型烟草相比，PvSR2转基因烟草具有抗重金属镉的能力。在镉胁迫下，转基因烟草植株的根长和生物量都比对照组大，镉在根部及叶片内的累积比对照少，表明PvSR2基因过量表达可能有助于提高植物抗重金属的能力［27］。其对重金属毒害的防御机制是利用PC和金属硫蛋白 (MT)等金属螯合物与重金属螯合形成复合物，使金属离子失活，降低毒性［28］。

5 其他提高植物重金属耐受性的方法

除上述之外，还可通过其他途径来提高植物抗重金属能力。例如浑河水、外源亚精胺、外源有机酸的合理使用能增强植物耐镉胁迫的能力，稀土元素也可以增强植物对重金属的耐受性。

邱晨曦等［29］的研究表明浑河水能增强玉米植株对镉的耐受性。其作用机制是浑河水通过诱导玉米细胞内的超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD)和过氧化氢酶 (CAT)活性而使植株对镉的耐受性增强，达到修复重金属污染土壤的目的。有研究表明，外施亚精胺可明显提高植物对重金属胁迫的耐受水平［30］。徐勤松等［31］通过槐叶萍实验，证明在重金属Cd的胁迫下，外源亚精胺(Spd)通过维持槐叶萍抗氧化系统的较高活性或含量，从而有效减少活性氧对叶绿素分子的过氧化损伤，促进蛋白质合成或抑制其分解，缓解了镉对槐叶萍的污染胁迫，提高了对镉的耐受性，从而增强植物适应重金属逆境的能力。另外，施加某些外源有机酸也能增强植物抗镉胁迫的能力。Blaylock等［32］通过实验证明，添加 EDTA、DTPA和柠檬酸等有机酸能使印度芥菜地上部镉含量显著提高。原海燕等［33］研究发现施加外源有机酸EDTA、柠檬酸对马蔺修复镉污染有很大的潜力，其反应机理是有机酸的添加加剧了马蔺叶片膜脂过氧化程度，导致MDA(丙二醛)含量增加，SOD和POD活性随之升高，从而增强了马蔺抗氧化胁迫能力，使生理抗性增强。稀土元素对于增强植物重金属耐受性也有很大的作用。郜红建等［34］认为某些稀土元素 (La等)能减轻重金属污染，其作用机理是阻止植株对铅的吸收，降低其在体内的富集，从而减轻引发的膜脂过氧化反应，同时通过对光合作用、硝酸还原酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物岐化酶三大保护酶及质膜稳定性等生理功能的调控，增强植物的抗逆性。稀土具有高效、低成本、低毒等特点，它对植物紫外辐射、盐胁迫、酸雨胁迫、重金属胁迫等都有很大的缓解作用，应用前景广阔［35］。

此外，在水稻生产中，还可以通过翻耕、客土与换土、施用改良剂和植物修复等方法来降低土壤中重金属的含量。

6 小结

近年来，地球上的土壤重金属污染越来越严重，污染面积越来越大。要利用污染土地资源种植作物，就需不断探索增强植物重金属耐受性的方法。本文综述的方法有些已经比较成熟，有些仍存在疑问，如钙离子提高植物对铝胁迫耐受性的作用机理至今仍众说纷纭，未有定论。相信随着研究的深入，将会有更多更完善的方法应用到实际生产中，造福于人类。

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