植物对重金属污染环境的适应性研究进展

吴大付,任秀娟,朱东海,王润青,马艳华

（1.河南科技学院河南新乡453003；2.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南新乡453003）

植物对重金属污染环境的适应性研究进展

吴大付1,任秀娟1,朱东海2,王润青1,马艳华1

（1.河南科技学院河南新乡453003；2.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南新乡453003）

随着人类活动的增强,带到环境中的重金属越来越多,导致了重金属对环境的污染.植物通过避性、抗性和耐性机理对重金属污染环境获得了一定的适应性.通过农艺措施和改良环境也可以增强植物对污染环境的适应性.应加强环保育种,培育出更多适应性强的新品种.

重金属；污染；环境；适应性；植物

自我国镉米图和癌症村地图的公布,以及我国东部地区雾霾天气的“常态化”,有关我国重金属污染的环境问题倍受关注.造成环境污染的重金属主要来自于采矿、冶炼、电镀、电源和燃料生产、垃圾堆积过程和农业生产中化肥、农药等的施用[1].据报道,全世界每年排放Hg约1.5万t、Cu约340万t、Pb约500万t、Mn约1 500万t,Ni约100万t[2].目前,我国重金属污染的耕地面积近1 000万hm2,其中近20%的耕地受到严重污染.全国粮食每年因此减产1 000多万t,重度年份达1 200万t[3].同时,还有不少被重金属污染的耕地难以利用,其中Cd污染面积1.3万hm2,涉及11个省市的25个地区；Hg污染3.2万hm2,涉及15个省市的21个地区.其中大部分地区生产的稻米中含Hg量超过国家食品卫生标准（0.2 mg/kg）,粮食含Pb量大于1.0 mg/kg的产地有11个,有6个地区生产的粮食含As量超过0.7 mg/kg[4].因此,重金属污染给农产品质量安全以及人类健康带来了严重威胁,弄清植物适应被人类改造的生存环境的策略,对确保我国粮食质量和数量的安全、科学进行农业生产具有重要意义.

1 植物对重金属污染的适应性分析

适者生存,不适者被淘汰,这是达尔文进化论的主要观点.该观点对在重金属胁迫下生存的植物也同样适用.植物长期生活在被重金属污染的环境中,通过抗性、耐性和避性等不同机理逐渐适应该环境,形成积累植物、指示植物和规避植物[5-6].而重金属超富集植物是植物在重金属污染环境中长期适应的结果.超富集植物又可以分为2类：一类是超耐性植物,它们能够超量吸收和积累重金属而生长不受影响；另一类是营养型超富集植物,该类植物嗜好某些重金属元素,并以这些元素作为自身生长的营养物质,像蒿莽草属Haumaniastrum植物,在含Cu量低于100 mg/kg的土壤中就无法正常生长发育[7].

1.1 植物对重金属的避性分析

一些植物在污染环境中形态和生理生化等方面发生变化,从而不吸收或少吸收重金属,这种防御机制称为避性.目前有关植物对重金属的避性机理研究较少,一般认为植物不吸收或少吸收重金属的机制与植物分泌物有关.研究表明,Al胁迫可激发抗Al毒害玉米根尖快速释放大量的柠檬酸和无机磷酸盐；同时还发现,Al胁迫可诱发小麦根尖释放苹果酸,且这种苹果酸的释放可被阴离子通道拮抗剂所抑制,此离子通道受Al3+调节[8].

另外,植物根际环境也起到一定的调节作用.一是根际环境可以减少植物对重金属的吸收,根系分泌物的理化性质如pH值、氧化还原性质等的变化以及“根际效应”对屏蔽重金属起到了关键的作用[9].同时,植物在生长过程中一部分光合作用产物被转移到根部,并且其中的大部分通过根系分泌到根际中.根分泌物中含有有机酸、氨基酸、糖、蛋白质、核酸以及大量的其他物质.而根际游离金属离子与从原生质膜中分泌到根际的螯合剂形成稳定的金属螯合物复合体,导致重金属活性下降.在重金属胁迫的诱导下,高等植物还可以合成某些类型的金属硫蛋白,这些多肽类的物质能络合进入植物体内的重金属,从而起到解毒的作用[10].有些受到金属污染的植物根尖能分泌以多糖为主要成分的黏胶状物质,这些黏胶状物质与Al、Cu、Cd有比较强的亲和力,能够将大量的金属离子滞留在根外[11].

1.2 植物对重金属的耐性分析

环境中的重金属通过根系进入植物体内后,通过其他机制使植物在高浓度重金属环境中也不受到伤害或弱化受害程度,这种防御机制称为耐性.大多数植物能够将重金属排除在组织外,使重金属积累只有0.1～100 mg/kg,而超富集植物能超量积累重金属[8].

有关植物对重金属耐性研究和综述方面的报道较多.植物对重金属的耐性机理主要表现在3个方面：

一是减少对重金属的吸收.环境中的重金属大部分是通过根系进入到植物体内的,在有些植物根系的表面,重金属离子与分布于根系表面的多糖粘液中的羧基结合,对重金属起到固持作用,这种固持作用因重金属离子的类别而有差异.另一方面,通过植物叶片吸收的重金属数量有限,这与叶片的形态结构有关,如绒毛叶可以吸收大气中的重金属[12].

二是金属排斥.重金属被植物吸收后又被排出体外或在植物体内运输受阻,称为金属排斥.桐花树Aegiceras corniculatum具有泌盐机制,吸进的盐分并不累积在体内,而是通过茎、叶上密布的分泌腺把吸收的过多的盐分排出体外,减少重金属伤害.有一些重金属虽然进入到植物体内,却大量积累于植物根部而限制了向地上部分运输,从而使地上部分免遭毒害,以此来提高植物抗重金属毒害的能力[12-14].

三是细胞壁的固定作用.细胞壁是重金属进入细胞的第一道障碍.重金属必须首先跨过植物根尖细胞壁才能进入植物体内,再通过植物体内的运输通道向上运输到地上部分.重金属在运送到植物茎、叶细胞时也同样受到细胞壁的阻挡.细胞壁的沉淀作用是一些植物耐重金属的主要原因.杨居荣等[15]、闫研等[16]的研究的结果表明,在黄瓜和菠菜细胞各组分中的77%～89%的Pb沉积于细胞壁.只有当重金属与细胞壁的结合达到饱和时,多余的重金属才会进入细胞质.

1.3 植物对重金属的抗性分析

植物对多种重金属污染的抗性多年来一直是污染生态学研究的热点.植物对重金属毒性抗性水平的高低,与环境中重金属作用的强度、持续时间、植物的遗传特点以及生理生化特性有密切关系.大量的研究结果表明,当植物吸收了大量的重金属,对植物产生毒害时,植物通过体内代谢调节,如细胞液胞区室化作用、金属配体的螯合作用、酶系统的保护作用等机制,把重金属的毒害作用减小到最低限度[15,17-18].

液胞是成熟细胞内的最大细胞器,在膨压调节、代谢产物存贮、有毒物质积累、信号传导等方面起到重要作用.一般认为重金属离子在细胞内的区室化是植物内部解毒的重要途径之一.经过分室化作用,重金属就会在细胞中被钝化.Brune等[19]用65Zn分析大麦叶片对Zn的吸收发现,Zn进入叶片液胞后迅速分区,是植物应对高浓度Zn毒害的一个重要机制.多数Mn在表皮细胞、厚角组织、维管束鞘细胞和液胞区室积累,而远离植物的细胞质、线粒体和叶绿体等活性部位[20].因此,在许多植物种类中,进入植物细胞内的重金属浓度沿着细胞壁→液胞→高尔基体→内质网→细胞核的方向逐步减少[12].

2 强化植物对重金属污染适应性的途径

2.1 农艺措施增强植物对重金属污染的适应性

有关农艺措施改进植物对重金属胁迫的适应能力有一些报道[21-25],主要集中在施肥、间作套种等方面.Robinson等[21]研究发现施用氮肥能使超富集植物Alyssum bertolonii的生物量增加2倍.Kulli等[22]研究发现施入尿素可使莴苣、黑麦草对Cu、Cd、Zn的累积量显著高于对照.廖晓勇等[23]研究发现适量施用磷肥可明显促进蜈蚣草的生长,增大As累积量.马唐与玉米间作系统促进了玉米根部对Cd的吸收,而玉米子粒中含Cd量反而下降[24].玉米与东南景天套种对东南景天吸收重金属有促进作用[25].

水旱轮作是我国重要种植制度之一,我国有稻麦水旱轮作田1 300万hm2,约占世界稻麦种植面积的1/3[26].小麦收获后种植水稻,因高温和水分充足,有利于小麦秸秆分解,提高土壤有机质含量；水旱轮作还可改善土壤的通气性,提高氧化还原电位,降低土壤pH值.这些条件的改变都会影响到重金属的有效性,如土壤氧化还原电位的升高,能降低土壤中Cb等重金属的可溶性迁移[27],也就降低了这些重金属对植物的毒害.

2.2 调节植物生长理化环境,提高植物适应性

植物生长发育是环境综合作用的结果,植物对重金属污染的抗性在不同阶段有所差异,同时也随着其生态环境的调节呈现不同的反应.目前研究较多的是在土壤中添加表面活性剂和螯合剂.研究表明,螯合剂EDTA对土壤重金属有较好的修复作用.EDTA很难降解,不但有对金属离子的高螯合能力,还减少了土壤重金属淋溶的风险[28-31].

随着我国粮食的不断丰收,作物秸秆量也随之增加.据估算,2005年全国秸秆总产量达到84183.12万t[32].我国小麦、玉米和水稻三大作物机械化作业水平的提高,极大地推动了农作物秸秆还田工作.秸秆还田对土壤中重金属具有一定的吸附量[33-34].蒋田雨等[34]研究结果表明,添加稻草炭增加了土壤表面的负电荷量,土壤表面对Cd（Ⅱ）的吸附容量增强,Cd（Ⅱ）吸附量的增幅随稻草炭添加水平的提高而增加.这样在一定程度上减少了Cd污染的毒害,增加了植物对Cd污染环境的适应性.

3 问题与展望

我国人口多耕地少,很多农作物仍种植于受重金属污染的土壤上,特别是城郊结合部,生产出的农产品直接供应给附近市民食用,给人民健康带来潜在威胁.作物种间和种内不同基因型之间在重金属的吸收和积累上存在着自然变异[35-39].针对我国目前耕地短缺,大范围内的农田受到重金属不同程度的污染,难以达到安全生产标准的实际,筛选重金属低积累作物新品种就变得更加迫切.

今后,应充分发挥我国环境条件和植物资源多样性丰富的优势,采取传统和现代植物育种技术相结合的方式,大力开展环保育种[1,40],培育出更多的适应重金属污染土壤的植物,即选育出富集重金属能力强的植物新品种用于修复重金属污染的土壤,选育出弱吸收重金属的植物新品种,充分利用我国污染的土地资源,生产出数量更多、质量更安全的农产品.

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（责任编辑：邓天福）

我校茹振钢教授荣获“2014年度河南省科学技术杰出贡献奖”

近日,从《河南省人民政府关于2014年度河南省科学技术奖励的决定》中获悉,我校茹振钢教授获“2014年度河南省科学技术杰出贡献奖”,此次全省只有2人获得该奖项.这是继获得“第五届全国杰出专业技术人才奖”之后,茹振钢教授获得的又一项荣誉.

茹振钢教授是河南省小麦抗病虫育种首席专家,从事小麦科研三十多年,在高产稳产广适优质小麦育种理论研究和品种创新与应用等方面取得了突出成绩,为保障国家粮食安全做出了重要贡献：（1）创新高产稳产广适优质小麦新品种培育理论和技术,解决了小麦高产大群体易倒伏、矮秆品种易早衰、高产品种品质不优等技术难题,培育出百农62、百农64、百农160和矮抗58等一系列高产优质小麦新品种.其中“矮秆高产多抗广适小麦新品种矮抗58选育及应用”获得2013年度国家科技进步一等奖；（2）提出小麦高光效生理育种方法并培育出高光效小麦品种百农419,实现了小麦高光效生理育种的突破；（3）创育的BNS型杂交小麦实现了黄淮麦区杂交小麦研究的新突破,其影响如同我国的杂交水稻,有望近年大面积推广种植.

（转自河南科技学院校园网）

Recent research progress in plant adaptability of pollution environment by heavy metals

Wu Dafu1,Ren Xiujuan1,Zhu Donghai2,Wang Runqing1,Ma Yanhua1
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Farmland Irrigation Research Institute,CAAS,Xinxiang 453003,China）

With the increase of human activities,more and more heavy metals went into environment,and caused environmental pollution.But the plants were obtained adaptability by avoidance,resistance and tolerance mechanisms. In addition,the plants adaptation to environmental pollution could be enhanced by agronomic measures and improved the environment of plants growth.The environmental protection of breeding would be taken,new varieties with strong adaptability could be bred.

heavy metals；pollution；environment；adaptability；plants

X5

A

：1008-7516（2015）01-0025-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.006

2014-10-13

吴大付（1965―）,男,河南确山人,博士,教授.主要从事农业环境保护和可持续发展方面的教学和研究工作.