外源物质在苎麻修复镉污染土壤中的应用研究进展

孙士涛，郭兵，余永廷，刘淳劼，朱爱国

（中国农业科学院麻类研究所，长沙410205）

镉（Cd）是一种具有极强毒性的重金属元素，作为植物生长发育过程中的非必需营养元素，极易被植物吸收、积累，并可能经食物链转移到人体内，对人们的身体健康造成重大威胁［1］。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤质量不容乐观，其中镉污染点位超标率达到7%，已经成为我国耕地土壤主要污染物之一［2］，镉污染土壤修复工作迫在眉睫。苎麻，又称“中国草”，因其易种植、抗逆性强、生物量大的特点，被广泛用于修复镉污染土壤研究。研究［3］发现，采用浓度低于65 mg／kg镉处理土壤，植株富集系数均大于1，最高达到4.55，说明苎麻具有一定修复镉污染土壤的潜力。同时有研究［4］发现，土壤经100 mg／kg镉胁迫后，显著影响苎麻叶片叶绿素含量组成，降低了光合作用，地上部分生物量下降50%。然而，植物对重金属富集效果和富集量与生物量密切相关，植物生物量的大小对修复效果至关重要，生物量大则对高浓度重金属有较高耐性，故常被作为筛选超富集植物的重要指标［5－7］。因此，提高苎麻耐镉性，缓解镉胁迫对苎麻造成的生长抑制，有助于提高苎麻修复镉污染能力。有报道［8］指出，外源物质（如NO）处理苎麻，可促进苎麻对镉的吸收，提高苎麻向上转运镉的能力，同时缓解镉对苎麻造成的生长抑制，弥补了苎麻对镉污染修复能力的不足。文章归纳了国内外有关外源物质在苎麻耐镉方面的研究进展，并分析总结了诱导镉耐性提高的相关生理生化机理，以期为外源物质提高苎麻修复重金属污染土壤能力提供参考。

1 苎麻镉耐性

重金属镉破坏了植株体内水分动态平衡、叶绿体结构以及叶绿素合成，抑制了光合作用，影响植株的正常生长。镉胁迫对植株造成的氧化胁迫伤害，也会严重影响植株的正常生理代谢过程，进而引起其他生理毒害。研究［9－11］表明，多个苎麻品种对重金属镉均有不同程度的耐受及富集能力，比如中苎1号。在各大污染矿区的野外调研观测中也都发现苎麻的存在［12］。这些均证实，苎麻对重金属镉有较高的抗性。

苎麻对重金属镉的耐性，在生理机制上主要归结于植株对镉的吸收、转运、分配以及有效减轻镉胁迫引起的氧化胁迫伤害等方面。镉胁迫下，相较于叶片等地上部器官，苎麻根部镉积累量最多，降低了地上部镉含量累积，使叶片减轻因镉胁迫带来的伤害，维持植株正常生长，表现出Cd耐性植物的主要解毒特征［13］。镉亚细胞区域化分布主要集中于细胞壁和液泡，该方式缓解了镉对细胞内叶绿体和线粒体等细胞器的伤害［14－15］。在分子机制上，镉胁迫下苎麻抗氧化系统、螯合态合成酶等相关基因的响应表达也提高了苎麻的耐镉性［16］。

2 外源物质在苎麻修复镉污染土壤中的应用

镉胁迫下苎麻抗氧化系统、镉积累及分配机制能保护植株免受伤害，但是苎麻的这种自我保护机制也有一定的局限性。有研究［17］发现，苎麻的保护机制在低镉浓度下（Cd浓度小于3 mg／L）起到重要作用，但是当镉浓度超过7 mg／L时，植株难以维持自身的稳态机制，从而表现出胁迫伤害。王欣等［18］采用盆栽试验方法，研究苎麻对镉毒害生理耐性机制时发现，营养生长期苎麻对Cd的耐受阈值为80 mg／kg左右。外源物质因能显著提高苎麻镉耐性，增强植物修复能力，已成为苎麻耐镉、重金属镉污染修复研究中的热点。

2.1 螯合剂

螯合剂因其能提高植物对重金属的吸收和转运能力，已被广泛应用于各种植物修复研究中。螯合剂种类主要有天然低分子量有机酸和多羧基氨基酸两种，如柠檬酸、草酸、苹果酸等小分子量有机酸，以及EDTA（乙二胺四乙酸）、EGTA（乙二醇双四乙酸）、NTA（氮三乙酸）等。樊扬帆［19］通过外源NTA与柠檬酸处理提高了镉胁迫下苎麻体内CAT、POD、SOD活性和MDA含量，表明NTA与柠檬酸处理能够缓解镉对苎麻的氧化胁迫，增强苎麻耐镉性。李华英［20］研究证明，与对照相比，外源柠檬酸和草酸通过与重金属镉形成螯合态从而增加植物体内镉的移动性，同时提高了植株体内叶绿素和类胡萝卜素含量，根系活力上升，丙二醛含量较低，也对细胞膜脂过氧化程度有所减轻，缓解了镉对植株产生进一步毒害症状。刘金等［21］采用低浓度（1.5～3.0 mmol／kg）EDDS与高浓度EDTA处理植株，强化了苎麻对镉污染土壤的修复效率，但是这种处理造成植株生物量减少，对植株的生长产生了不利影响，说明螯合剂的使用能显著增强苎麻修复镉污染土壤的效率，但是螯合剂使用浓度和种类差异对植株生长发育可能会产生不同影响。

2.2 微量元素

在植物修复重金属污染土壤技术中，叶片喷施微量元素常作为一种农艺调控措施，进而提高植株抗逆能力和修复重金属污染土壤的效率。硒、硅、钙、铁、锌等作为植物所必需的微量元素，具有多种重要的生理功能，拮抗环境胁迫，提高植株胁迫抗性也是其中之一［22］。研究［23－24］发现，外源喷施低浓度硒、硅和钙，能增加苎麻生长量和叶绿素含量，促进植株生长，减轻镉对苎麻造成的氧化胁迫损伤，进而缓解镉对苎麻产生的其他生理毒害，但这种解毒效应，与微量元素使用浓度相关，常表现出“浓度剂量效应”，与施用低浓度硒（0.5、1.0、1.5μmol／L）相比，高浓度硒（2、5、10μmol／L）喷施处理，会对植株耐镉、修复镉污染途径产生不利影响。这种效应在其他微量元素上也有体现。不同浓度的锌铁处理对植株的生长发育会产生不同的影响，适量锌铁处理能够促进苎麻的生长，减少苎麻对重金属镉的吸收积累，从而缓解镉对苎麻造成的伤害，锌铁元素缺失则会加重镉对苎麻产生的毒害［25］。

2.3 多胺类

多胺作为一种能调控植物生长发育、参与多种代谢过程的小分子量有机酸类，在植株响应环境生物与非生物胁迫中也发挥重要的功能。近年来，逆境胁迫下植物体内信号调控相关研究备受关注。研究［26－27］证实，多胺类能通过参与胁迫信号转导过程，提高植株胁迫抗性。多胺参与调控H2O2信号、NO信号、Ca2＋、ABA等信号途径响应逆境胁迫［28－29］。除了与胁迫信号物质互作、调控代谢途径外，多胺类物质在植株耐镉胁迫生理响应中也起到关键作用。Chen等［30］研究发现，外源喷施亚精胺提高了镉胁迫下油菜植株SOD、CAT、POD抗氧化酶活性，幼苗体内可溶性蛋白和谷胱甘肽含量升高，增强了幼苗耐镉能力。这一结果在玉米幼苗耐镉研究［31］中得到证实：精胺，亚精胺和腐胺等多胺类物质能通过提高镉胁迫下玉米幼苗体内叶绿素含量，维持植株光合作用，激活抗氧化防御系统，促进幼苗在胁迫下生长，增强镉耐性。在苎麻耐镉有关研究中，也得到类似结果［32］。

2.4 其他植物生长类物质

随着植物修复重金属污染技术研究的深入，研究人员发现植株适应逆境胁迫、修复污染土壤的过程涉及到植株的整个生理响应。越来越多的物质经研究证实能够增强植株胁迫抗性，提高修复效率，如水杨酸（SA）、生长素（IAA）、细胞分裂素（CK）、激动素（KN）、一氧化氮（NO）等植物激素和信号物质，茶皂素等天然表面活性剂等在苎麻耐镉、修复镉污染方面都起到重要作用［33－35］，为提高植物修复重金属污染土壤效率提供了新的有效措施。

3 镉污染胁迫下外源物质对苎麻引起的生理生化响应

3.1 光合作用

重金属镉污染严重抑制植株的正常生长，镉在细胞内的过量积累也会损害一些重要细胞器，影响生理代谢过程，对植株产生毒害。如细胞内重金属镉过量积累会严重破坏叶绿体结构，抑制叶绿素生物合成［36－37］，阻碍光合作用正常运行［38］。光合系统对植株生长至关重要，叶绿素作为植物进行光合作用的主要色素，其含量变化与植株生长密切相关。低浓度的螯合剂处理促进了镉胁迫下苎麻幼苗叶片中光合色素的合成与积累，提高了光合效率［39］。此外，外源物质预喷施处理对于镉胁迫下植物光合系统的保护作用，使得植株在重金属镉污染的土壤中依然能维持自身的正常生理代谢，增加了叶绿素含量和类胡萝卜素含量，改善了光合作用，促进植株正常生长，提高了苎麻植株耐镉性，进而为苎麻修复重金属镉污染土壤提供了条件［40－41］。

3.2 细胞质膜及抗氧化防御系统

外源矿物质元素处理提高了镉胁迫下苎麻植株体内可溶性蛋白和脯氨酸等渗透调节物质的含量，降低了丙二醛含量，缓解了镉离子对植株细胞膜系统的损害，进而减缓镉胁迫对植株产生的进一步毒害。此外，外源矿物质处理与重金属产生的拮抗作用，影响植物对重金属的吸收，对植物膜系统的保护起到关键作用［42］。

为了适应外界的各种生物与非生物胁迫，植物形成了自身的防御系统，来抵抗胁迫引起的伤害。抗氧化系统作为植株最先响应的防御系统，在植株适应各种环境变化方面起到重要作用。上述研究表明，外源物质在苎麻耐镉、修复重金属镉污染土壤过程中，能显著提高植株体内SOD、POD等抗氧化还原酶的活性，及时有效清除体内多余活性氧如H2O2等物质，避免其对植株细胞膜、细胞器的进一步破坏，维持植株正常的代谢过程［43］。

3.3 吸收与转运

镉具有高移动性的特点，使得苎麻在镉污染环境中，极易吸收积累镉。而镉离子的毒害作用，会破坏植株重要的细胞组织，影响植株的正常生长。因此，调控镉胁迫下苎麻吸收转运过程，对于缓解镉产生的生长抑制至关重要。研究［44］证明，外源物质喷施处理镉污染下的苎麻，能够通过与植株体内的镉螯合成有机化合物，促进镉离子在植株体内的吸收，提高苎麻对镉离子的转运和富集能力。苎麻耐镉能力强与镉离子主要集中在细胞中液泡区域，从而避免了对重要细胞器结构和功能的损害有关。而适量浓度外源物质如EDTA，促进了苎麻叶片镉离子积累，同时降低了细胞壁镉含量［45］，部分螯合态镉利用ABC转运载体进入液泡储存［46］，为提高耐镉性及镉污染修复效率提供了条件。

3.4 基因表达

随着基因组学的发展，基因的挖掘和功能鉴定在加快作物传统育种速度的同时，通过转基因技术增强作物抗逆性的研究也备受关注。激活镉胁迫下相关抗性基因的表达，有助于从基因水平解决植株耐镉、修复镉污染的问题。研究［47］发现，镉胁迫下苎麻差异表达基因主要富集在结合功能和催化活性功能上，谷胱甘肽代谢途径基因差异表达，为增强苎麻耐镉性奠定了分子基础。外源物质尤其是植物激素如水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）等，能诱导苎麻谷胱甘肽还原酶相关基因上调表达［48］，为提高苎麻耐镉及镉污染修复效率指明了方向。

4 总结与展望

植物修复作为一种低成本的修复重金属污染土壤的技术而备受关注。苎麻生物量大、生长快、耐镉，在修复重金属污染土壤中前景广阔。然而，当前苎麻修复污染土壤技术和基础研究相对薄弱，致使相关研究未取得实质性的突破。近年来，研究证实外源物质能通过保护苎麻光合作用及质膜系统，提高抗氧化还原能力，影响镉的吸收转运，诱导耐镉基因表达，增强苎麻耐镉性，表现出了一定的提高苎麻修复效率的潜力。但是外源物质在苎麻耐镉上的应用尚局限于生理研究，分子机制上的研究有待进一步深入。故针对目前研究现状提出以下几点建议：外源物质在苎麻修复镉污染土壤的“剂量效应”有待于进一步挖掘；外源物质对苎麻耐镉阀值提高程度仍缺乏定量研究；筛选高效提高苎麻修复镉污染土壤效率的外源物质以及有效组合；挖掘镉胁迫相关基因，鉴定功能基因，研究外源物质与镉胁迫相关基因互作，调控网路；进行重金属污染治理技术创新，外源物质应与其他农艺操作、化学措施相结合，从而大幅度提高苎麻重金属修复效率。