植物耐铝毒作用机制研究进展

蒋琪 高智席 吕朝燕 胡海军 韩畅

摘 要 铝毒害是酸性土壤中作物生产的主要限制因子。针对土壤中Al元素的构成、Al毒害表现、植物相关耐铝机制及耐铝基因的克隆等问题，综述了国内外研究现状和进展。其中以主要农作物水稻与小麦为例，对这两种重要农作物耐铝毒研究进行了归纳和总结，在比较二者研究内容的完善程度的同时，为今后参照水稻耐铝毒研究，通过多种实验手段开展小麦系统化耐铝毒研究提供参考和依据，并提出今后的研究动向。

关键词 植物；耐铝毒；作用机制；小麦；水稻

中图分类号：Q945 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.18.126

土壤酸度是世界范围内影响农业生产的重要限制性因素。目前，世界上可耕地面积的40%为酸性土壤[1]，而在非可耕地中其面积更是高达约70%，共计39.5亿hm2。酸性土壤约占我国国土面积的21%，总面积达到203万hm2，主要遍及14个省区，尤以南方分布面积最广[2]。酸性土壤肥力差的原因主要是金属元素毒害和营养元素缺乏，但铝毒是67%的酸性土壤中限制作物产量的主要制约因素。为了解决酸性土壤中的铝毒害问题，人们经常采用施加石灰和碱性肥料等方式改良土壤。这些措施虽能减轻铝毒害问题，但无法改善深层土壤的酸度且经济成本太高。只有通过遗传改良来获得耐铝作物品种，才是解决酸性土壤中铝毒害的根本途径。而在培育耐铝植株的过程中，耐铝基因资源的挖掘和利用则是至关重要的因素。编码铝激活苹果酸分泌的转运蛋白的抗铝基因（ALMT1）已被成功克隆[3]，而将该基因成功转入在麦类作物中对铝最为敏感的大麦中表达后，通过分泌大量的苹果酸螯合Al3+，降低Al3+的毒害，使大麦耐铝能力大大增强。这不仅进一步验证了ALMT1基因的功能，而且也使通过转基因手段提高酸性土壤上作物产量成为可能[4]。为了切实提高我国酸性土壤地区农作物的产量，保证食品安全，我国也必需通过学习借鉴国际上成功的研究经验，在植物耐铝毒的分子机理研究上取得一定突破。因此，本文对植物耐铝研究已有成果作简要阐述。

1 Al3+对植物的毒害

在植物的生长过程中，A13+对植物的毒害首先是对植物根尖部分的损害，继而抑制植物的根系生长，最终影响植物对营养物质与水分的吸收。根部的损害具体表现为主、侧根变得短而坚硬，根尖膨大受损，根的伸长生长减缓甚至停止[5，6]。根尖是A13+结合进而诱导抑制根伸长的主要位点。Delhaize等[7]研究发现，A13+胁迫下铝主要积累在小麦根尖，并且导致其受到较严重的伤害，失去尖状部分。

Al3+胁迫影响植物对Ca2+、、K+、PO43-等生长所需营养元素的吸收[8]。Al3+与磷在根表或质外体发生吸附沉淀反应，减少了磷进入根内及向地上部的运输，因此植株受到Al3+毒害时表现出类似于缺磷（P）的症状。A13+可阻断小麦根细胞的K+通道，导致地上部出现缺钾症状[9]。

A13+胁迫抑制DNA的合成和有丝分裂。A13+与DNA的磷酸基结合，使双链解链的困难，降低模板的活性，从而抑制DNA复制，使染色体粘连，破坏有丝分裂纺锤丝，延迟染色体的形成，严重抑制有丝分裂过程[10]。

2 植物耐铝机制

2.1 外部排斥机制

当植物处于铝胁迫环境时，植物细胞壁具有结合Al3+的能力，从而阻止Al3+与细胞膜结合或进入共质体。细胞壁果胶的自由羧基负电荷可固定根细胞质外体自由空间的铝。果胶甲基化程度高会导致其阳离子交换量降低，结合在果胶质中的Al3+较少，从而减轻铝毒害[11]。

有机酸分泌是植物耐铝的最重要机制。Al3+与小分子有机物形成螯合物后，其生物毒性大大降低。植物根系分泌的物质能有效络合铝离子，使铝阻滞在粘胶层中，防止过多铝进入根细胞。根系分泌物特别是低分子量有机酸在缓解铝毒方面具有重要作用，对铝毒耐性的大量研究多集中于根系有機酸分泌的种类和数量上[12]。铝毒诱导有机酸的分泌是植物的一种普遍适应机制，具有螯合性的低分子量有机酸有柠檬酸、苹果酸、酒石酸和草酸等。Delhaize等[13]利用小麦一对近等基因系为材料研究发现，抗性基因系分泌的苹果酸是敏感基因系的5～10倍，根尖是苹果酸分泌的主要部位，且苹果酸的分泌是由Al3+专一性诱导的。

目前，在铝毒害下，植物有机酸的分泌情况如下[14]：许多植物，如玉米、大麦、高粱、大豆和菜豆分泌柠檬酸；而荞麦和芋分泌草酸。还有些植物如小麦、拟南芥和黑麦等同时分泌柠檬酸和苹果酸。

2.2 内部解毒机制

Al3+对大多数植物都会产生毒害，但有些植物体内能够积累大量的铝而不表现出毒害症状，如茶树、绣球花、荞麦等，均能在体内超积累铝。由于A13+与细胞内供氧化合物如DNA、RNA等物质的亲和性很高，铝在这些植物体内必然是以一些无毒或毒性较小的铝形态存在。细胞溶质中螯合剂（主要是有机酸）可有效地降低铝的活性，降低其对植物的毒害。Ma等[15]发现，耐铝性很强的绣球花体内含有大量的铝，且77%的铝都位于细胞汁液中，主要是以可溶性Al3+-柠檬酸（1∶l摩尔比）形式存在。该复合物经过提纯被用于玉米铝胁迫实验中，结果表明其不会抑制玉米根的伸长，而同浓度的单体铝处理使玉米根系显著受到抑制。

3 从植物中克隆的耐铝基因

3.1 与分泌苹果酸相关的耐铝基因的克隆

第一个分泌苹果酸的基因是在小麦中发现的[3]，即TaALMT1基因，本文将在小麦的抗铝毒机制中对该基因进行详细介绍。在拟南芥中也发现了AtALMT1基因，该基因与小麦的ALMT1同源性较高，也编码分泌苹果酸的转运子[16]。

3.2 与分泌柠檬酸相关的耐铝基因的克隆

MATE基因家族与分泌柠檬酸相关，已有多个基因被克隆出来：SbMATE来自高粱[14]、HvAACT1来自大麦[17]、FRD3基因[18]和AtMATE[19]来自拟南芥、ZmMATE1来自玉米[20]，OsFRDL1来自水稻[21]，TaMATE1B基因来自于小麦[22]。

Magalhaes等[14]从高粱中克隆的耐铝基因SbMATE通过铝诱导激活柠檬酸的分泌。不同高粱品种SbMATE基因表达差异是由启动子区一段重复序列的不同造成的，该重复序列的拷贝数与耐铝性呈现正相关。

Furukawa等[17]从大麦中克隆了耐铝基因HvAACT1，同样需要铝来激活柠檬酸的分泌。但是HvAACT1在根基部的表达量最高，而SbMATE及小麦中ALMT1基因的表达量在根尖最高。

FRD3基因的主要功能是通过向植物根系的微管分泌柠檬酸，将铁从植物的根系运输到植株的叶片中。当在拟南芥中过量表达FRD3后，4个转基因株系的耐铝性有很大提高，柠檬酸的分泌量也比野生型高出好多倍[18]。

Tovkach等[22]首次从小麦中克隆出编码柠檬酸转运载体的TaMATE1B基因。该基因的上游序列在耐铝植株与铝敏感植株中存在差异：铝敏感植株的上游序列2kb的地方出现SNP位点，而耐铝植株在上游序列25bp的地方含有一个11.1kb类似转座子插入元件，该转录子元件加强了耐铝植株的耐铝能力。

3.3 其他耐铝基因

STOP1缺失的突变体表现出对Al3+的敏感性。STOP1是属于Cys2His2类型的锌指结构蛋白的一类转录因子，它在Al3+存在情况下能够调节AtALMT1基因的表达。Al3+诱导表达的耐铝基因AtMATE1和ALS3均受到STOP1的控制[19]。

STAR1和STAR2被基因敲除时，植株均表现出铝敏感性。STAR1编码一个细菌型ABC转运体的核苷酸结合区域，而STAR2则编码其跨膜區域[23]。STAR1和STAR2均在根部表达，且均是在Al3+诱导下进行表达，但是对于其如何对耐铝能力产生影响的机制目前尚不清楚。

澳大利亚小麦品种Fronteira在酸性土壤中种植时其根部会出现沙鞘现象（土壤颗粒与根表分泌物及根毛间相互交接、缠绕形成的土壤连续体）。Delhaize[24]发现，沙鞘现象与根毛的长度和植株的耐铝能力成正相关。但迄今为止，控制该性状的基因尚未被克隆。

4 小麦抗铝毒机制研究进展

小麦是重要的粮食作物，对其在酸性土壤中耐铝机制的研究显得尤为重要。有机酸分泌机制是小麦抗铝毒的主要机制，抗性小麦主要通过分泌苹果酸螯合根际的Al3+减轻其毒害，部分小麦品种也分泌柠檬酸以达到减轻铝毒的效果。

Sasaki[3]通过差减杂交分离cDNA得到了高量表达于耐铝小麦品系ET8根尖的TaALMT1基因，该基因编码铝诱导下激活苹果酸释放的转运蛋白。TaALMT1基因异源表达后引起铝诱导的苹果酸外流，可提高烟草细胞的耐铝性。小麦TaALMT1至少有TaAMLT1-1和TaAMLT1-2两个等位基因，但TaALMT1-1比TaALMT1-2更有效。Raman等[25]通过节节麦的BAC克隆获得了TaALMT1基因的序列，并以此序列为基础获得了13个小麦材料的TaALMT1基因。TaALMT1-1和TaALMT1-2序列存在44个SNP位点及少量的插入缺失位点的差异。位于第4个外显子上的SNP被用于设计CAPS标记区分TaALMT1-1和TaALMT1-2，但TaALMT1的等位基因类型并不代表小麦的耐性，耐铝性高低主要取决于TaALMT1等位基因的表达水平。

Sasaki[26]研究发现，小麦根尖TaALMT1基因受其上游序列调控表达而表现不同的耐铝性。根据34个非日本起源小麦TaALMT1上游基因序列的A、B、C、D四个重复区块的数量、组成将小麦TaALMT1上游序列分为6种类型。不同上游序列类型影响小麦根尖TaALMT1基因的表达水平，从而表现不同的耐铝特性，但日本起源的小麦品种并不符合这一模型。

MATE基因家族与柠檬酸分泌相关的基因在小麦中被克隆，这也是小麦耐铝的另一种重要模式。该基因的特性上文已经提及，在此不再赘述。

5 水稻高抗铝毒机制

在近期对水稻的研究当中，多个抗铝毒基因相继被克隆。STAR1是一个编码只含ATP结合盒（ABC）的转运蛋白，它能够和另一个只编码跨膜结构域的ABC转运蛋白STAR2相互作用，所形成的复合体STAR1/STAR2能够转运UDP-glucose到细胞外进行细胞壁修饰，从而最终达到解铝毒的目的[23]；Nart1是一个定位在细胞膜的转运蛋白，它负责把质外的铝转运到细胞内来减轻铝对细胞壁或细胞膜的毒性[27]；OsALS1则是一个编码ABC转运蛋白并定位在液泡的基因，OsALS1负责把细胞质和细胞核的铝隔离到液泡来解除铝毒[28]；虽然有机酸分泌机制不是水稻抗铝毒的主要机制，但是在较高铝毒条件下，通过OsFRDL4转运柠檬酸到细胞外来螯合铝对水稻抗铝毒过程也有一定的贡献[29]；ART1是一个特异参与抗铝毒过程的一个转录因子[30]，它通过调控下游的包括所有以上抗铝毒基因在内的31个基因的表达来进行解铝毒。

6 结语

小麦是世界范围内重要的粮食作物之一，部分小麦品种如Atlas66，ET8等具有良好的抗铝毒特性，但前人的研究主要集中在找寻相关耐铝基因，并试图解释其相关功能，并未能从植物抗铝毒整个体系对抗铝毒进行说明，进而解释清楚小麦耐铝毒体系所包含的基因功能及其相互关联作用。近期在水稻抗铝毒研究中多个抗铝毒基因的克隆，为水稻抗铝毒体系的阐明奠定了基础，一张清晰的水稻抗铝毒机制图谱隐约可见，而这方面的系统性研究正是小麦抗铝毒研究所缺乏的。因此，在今后的小麦耐铝毒研究中，我们应通过多种实验手段，发现小麦抗铝毒机制中所涉及的重要基因及其之间的相互作用关系，阐明这些基因在在小麦抗铝毒过程所起的重要作用，力图为小麦耐铝毒机制的阐明提供有力支撑，这将是今后小麦耐铝毒研究的重要发展方向，也是丰富植物耐铝毒研究的重要内容。

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（責任编辑：刘昀）