黃白飛，辛俊亮

（湖南工學院安全與環(huán)境工程系，湖南 衡陽421002）

由自然過程或人類活動如采礦、工業(yè)和農業(yè)生產造成的重金屬污染已引起了廣泛的關注［1，2］。在重金屬污染中，鎘和鉛的污染最為廣泛。U.S.EPA（美國環(huán)保局）將鎘和鉛分類為B類污染物（可能的人類致癌物）［3］。植物能從土壤中吸收必需元素如Fe、Cu、Ni和Zn，也會從土壤中吸收非必需元素如Cd、Pb、Hg、Cr和 As［4，5］。鎘和鉛被植物吸收后，會在植物體內轉運和積累，對植物的生理活動產生影響，并且進入食物鏈，影響人類健康。近年來，國內外關于植物對重金屬的積累和轉運機理的研究報道很多，本研究從植物各部位對重金屬吸收轉運作用及重金屬轉運相關基因等方面研究進行總結。

一般而言，鎘、鉛在植物各部位含量的順序為：根＞葉＞果實＞種子。因此，植物從土壤中吸收的鎘、鉛大部分留在根中，只有少部分被轉運到地上部［6］。鎘、鉛到達可食部位特別是種子和果實中要經過許多細胞壁及細胞膜障礙。

1 鎘、鉛在根中的積累及分布

植物的根尖可以分泌黏液，將生長的根包圍。這層黏液結合重金屬的能力（因此阻止重金屬的吸收）與重金屬對黏液中生物大分子功能基團的結合能力直接相關。黏液的主要成分是糖類，最重要的功能基團是羰基和羥基［7］。重金屬對糖醛酸的結合能力由大到小排序依次是：Pb2＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Zn2＋。金屬對根尖黏液的結合能力越強，就越難進入根中［8］。鉛對這些基團表現出高親和力，因此，鉛在根表皮細胞中的含量相對較低。

重金屬離子通過質膜是植物吸收和積累重金屬的第1步。一般而言，植物根部的Cd主要在質外體積累，尤其是細胞壁中。細胞壁是保護細胞原生質體不受重金屬毒害的第1道屏障［9］。Cd與細胞壁結合能減輕Cd對植物的毒害，尤其是在短時間和低濃度Cd作用下這一機制顯得尤為重要。細胞初生細胞壁中纖維素、果膠質和糖蛋白等形成的網架結構存在許多大小不一的網孔。在較小的網孔處，帶正電的Cd離子被細胞壁中帶負電的親Cd物質所吸附。果膠質中多聚半乳糖醛酸的羧基基團起離子交換的作用，能吸收和固定Cd離子。各種重金屬對細胞壁組分的結合能力與金屬和碳水化合物中的羧基復合物穩(wěn)定常數相關。各種重金屬與多聚半乳糖醛酸的結合力順序是Pb＞Cr＞Cu＞Cd＞Zn，這可以解釋不同金屬在組織中的轉運速率不一樣［8］。

根的皮層細胞可積累大量的鎘、鉛。皮層明顯增加了根的直徑并導致根表面積增加，這對結合重金屬非常重要。重金屬主要是與皮層的細胞壁結合。有研究表明，黃花茅（Anthoxanthumodoratum）鉛耐性株系根中的鉛大多分布在細胞壁，而鉛敏感株系根中的鉛大多分布在高度紊亂的細胞質［10］。重金屬主要與根皮層細胞壁結合，這可以看作是解毒的一種形態(tài)生理學機理，用低的代謝活動將金屬限制在細胞區(qū)室。鎘和鉛在細胞壁中有分布，在質體表面也有分布。有研究發(fā)現洋蔥（Alliumcepa）根中有大量的鉛在質膜的外表面聚集。因此，細胞壁積累重金屬的同時，質膜作為最重要的細胞間障礙限制了質外體離子進入細胞質［8］。重金屬在原生質體表面的積累可能擾亂質膜的結構和功能。這些干擾可以促進重金屬被動進入到細胞中。

中柱和皮層由內皮層隔開。內皮層的一個典型特征是凱氏帶的出現。凱氏帶是一種整合的結構而不只是簡單的細胞壁加厚，它的木栓質沉積延伸到胞間層［11］。一方面，凱氏帶作為一種不可滲透的屏障阻止質外體離子從皮層進入中柱，另一方面，它作為滲透障礙防止中柱的溶液泄漏［12］。內皮層的屏障作用是基于內皮層細胞壁的不可滲透性。因此，溶質必須經過原生質體進入，這樣就能調節(jié)水分和各種溶質的運輸。內皮層具有屏障作用是因為凱氏帶中出現了木栓質，也因為成熟內皮層具有獨特的超微結構。電子顯微鏡圖片顯示，位于凱氏帶附近的質膜平滑且比細胞其他部分要厚，它緊緊地貼在細胞壁，這樣就能保證細胞壁和細胞膜之間的緊密接觸。在許多植物中，內皮層是鉛轉運到中柱過程中最重要的障礙［8］。

然而，內皮層的障礙作用不只是由細胞壁的栓化作用決定的，也與緊貼凱氏帶的細胞質膜的滲透性相關。此時離子通過細胞間隙轉運幾乎是不可能的，而細胞具有控制離子進入原生質體的能力［13］。非原生質體中的毒性離子存在一個閾值（可能是在細胞間隙中），高于這個值，細胞膜結構和功能失調，膜的通透性上升，金屬進入到中柱組織。實際上，在溶液中的鉛濃度達到10－4mol/L時，培養(yǎng)1d后就能在根中所有組織都觀察到鉛。值得注意的是，在這種濃度下內皮層細胞也是能存活的。因此，鉛失控進入到中柱是由內皮層細胞膜通透性的破壞引起的，而不是由細胞死亡引起的［14］。

鎘、鉛一般在根表皮和皮層積累。在非致死濃度，極少量鎘進入中柱組織。這些金屬在內皮層的含量比相鄰外皮層細胞的含量要低。絕大部分鎘保留在根部，這在一定程度上減少了鎘對植物地上部的影響。如在大豆中98%以上的鎘保留在根中，而只有2%的鎘轉運到地上部［15］。

木質部導管在物質的遠距離運輸中起重要作用。根中柱組織排列的主要特點是韌皮部和木質部空間上是分離的，與這2種組織都結合的是中柱鞘。這種排列使得韌皮部和木質部具有功能上的協(xié)調性［16］。重金屬繞過韌皮部，直接進入木質部，然后被轉運到植物地上部器官。

2 鎘、鉛從根轉運到地上部

木質部汁液與韌皮部汁液的化學組成很不一樣，木質部汁液的pH范圍是5.0～6.0，具有更強的氧化還原勢和更低的有機化合物含量，如糖、多肽和蛋白。鎘不僅優(yōu)先與巰基基團結合，也與N和O配體結合。因此，半胱氨酸和其他含巰基化合物（如植物鰲合肽、谷胱甘肽等）、各種有機酸（如檸檬酸）和木質部汁液的其他氨基酸可能對鎘轉運到地上部的過程起重要作用［17］。用檸檬酸處理木質部汁液能促進番茄（Cyphomandrabetacea）中木質部的鎘轉運到莖葉［18］。木質部的鎘濃度和葉中鎘積累的速度表現出類似飽和動力學，這說明溶液中的鎘轉運到根中再到木質部是由飽和運輸機制介導的［19］。同一作物的不同品種對重金屬積累的差異也可能與木質部和韌皮部運輸有關。有研究對2種油菜（Brassicacampestris）基因型（高鎘積累基因型溪口花籽和低鎘積累基因型涼亭花籽）木質部汁液中主要無機、有機陰離子（氯離子，硝酸鹽，蘋果酸，硫酸鹽，磷酸鹽和檸檬酸鹽）進行測定，并分析陰離子與鎘濃度的關系，發(fā)現溪口花籽木質部汁液中較低的磷酸鹽濃度可能與木質部鎘的高效轉運相關，木質部汁液中的蘋果酸鹽可能參與鎘的長距離運輸［20］。籽實高鎘積累水稻品種Habataki比低鎘積累品種Sasanishiki能更迅速地將根中的鎘轉運到地上部，這可能是因為其木質部有更強的轉運鎘的能力，并且以蒸騰作用作為驅動力［21］。張永志等［22］通過在人工氣候箱中，調節(jié)環(huán)境的溫度和濕度，形成不同的環(huán)境蒸汽壓，使植物產生不同的蒸騰作用，利用水培實驗研究了在不同蒸騰作用下2個番茄（Lycopersiconesculentum）品種的幼苗對重金屬Pb、Cd的吸收積累規(guī)律，發(fā)現高蒸騰作用下植株Cd和Pb含量比低蒸騰作用下分別增加了1.47～1.73倍和1.25～1.75倍，單株的積累量則分別增加了1.71～3.18倍和1.67～2.21倍。

鎘、鉛被運輸到地上部后，濃度高時會對葉片產生毒性作用。植物葉片有各種降低鎘、鉛毒性的方法。在鼠耳芥（Arabidopsishalleri）葉中，毛狀體鎘含量遠高于其他部位。在毛狀體中，鎘的亞細胞區(qū)室化非常明顯，幾乎所有的鎘積累在毛狀體基部一個小環(huán)中。表皮其他細胞中鎘含量很少，低于葉肉細胞。葉肉細胞中的鎘濃度隨營養(yǎng)液中鎘濃度的升高而迅速升高，說明葉肉細胞是鎘的主要儲存位置，在富集鎘的過程中起重要作用［23］。鎘的超富集植物印度芥菜（Brassicajuncea）能將鎘貯存在葉片的表皮毛中達到解毒作用［24］。在一些蔬菜葉片中，鎘大部分存在于細胞壁，占總量的62%～85%，少量存在于原生質（不含葉綠體）和葉綠體中；隨著營養(yǎng)液中鎘濃度的增加，各組分中鎘含量明顯增加，但分配比例變化不大［25］。

3 鎘、鉛轉運相關的基因

重金屬在植物體內的積累有很大的差異，不同植物對重金屬的策略也不一致，有的采用富集策略，也有的采用排斥策略。同一物種的不同品種對重金屬的積累也有較大的差別。植物重金屬積累能力不同主要是由吸收和轉運引起的。重金屬轉運相關的基因和蛋白一直是植物對重金屬積累機理研究的一大熱點。與鎘、鉛轉運相關的蛋白有很多，如ABC轉運蛋白家族、P－type ATPase、V－ATPase、陽離子反向運輸器等。

3.1 ABC轉運蛋白家族

腺苷三磷酸結合盒轉運蛋白（ATP－binding cassette transporters，ABC轉運蛋白）由于含有一個腺苷三磷酸（ATP）的結合盒而得名，是生物體中最大的蛋白家族之一。ABC轉運蛋白是膜整合蛋白，它利用水解ATP的能量對溶質中各種生物分子進行跨膜轉運［26］。它能轉運的底物有很多，包括離子、碳水化合物、脂類、抗生素、藥物和重金屬［27］。擬南芥的ABC轉運蛋白分為13個亞家族，其中與重金屬轉運相關的亞家族主要是多效抗藥性亞家族（pleiotropic drug resistance，PDR）、廣譜抗藥性相關蛋白亞家族（multidrug resistance－associated protein，MRP）和線粒體 ABC轉運蛋白（ABC transporter of the mitochondria，ATM）［28］。

ATM亞族是ABC轉運蛋白最小的亞族之一，由一個跨膜區(qū)域和一個ATP結合區(qū)域構成。在擬南芥（Arabidopsisthaliana）中有3種ATM 家族成員，即AtATM1、AtATM2和AtATM3［29］。AtATM3是一種線粒體蛋白，與植物體內鐵硫簇的生物合成和離子內穩(wěn)態(tài)相關，AtATM3對植物的耐鎘性有貢獻并可能介導谷胱甘肽結合的Cd（II）透過線粒體膜。當用Cd（II）或Pb（II）處理擬南芥植株時，AtATM3表達上調。AtATM3過量表達時能提高植株對鎘的抗性，而AtATM3缺失突變株與野生型對照植株相比對鎘更為敏感［27］。

ABC轉運蛋白AtPDR8是位于擬南芥細胞膜的鎘或鎘結合物的流出泵。在鎘或鉛處理的擬南芥中，AtPDR8表達上調。與野生型相比，AtPDR8過量表達的植株對Cd2＋或Pb2＋具有更高的抗性并且鎘含量更低。相反，與野生型相比，AtPDR8RNAi植株和T－DNA插入株系對鎘或鉛更為敏感并積累更多的鎘。GFP－AtPDR8蛋白定位于細胞膜上。分離出來的原生質體和放射性Cd109的流出分析表明，與野生型相比，在AtPDR8過量表達的植株中，鎘的泵出量更高，而在RNAi植株中，鎘的泵出量更低［30］。AtPDR12，也是擬南芥ABC轉運蛋白家族成員中的一員，它參與鉛的解毒作用。AtPDR12的表達水平在野生型擬南芥地上部和根中受鉛處理而升高。在含有Pb（II）的培養(yǎng)基中，AtPDR12敲除植株（atpdr12）長得不如野生型好，但積累的鉛卻更多。與atpdr12植株相反，AtPDR12過量表達的擬南芥植株對鉛有更強的耐性，但積累的鉛比野生型要少。AtPDR12的作用是將Pb（II）和/或含鉛有毒化合物泵出細胞質，它只對Pb起作用，而對其他的重金屬不起作用［31］。水稻（Oryza sativa）Ospdr9，編碼PDR型ABC轉運蛋白，在水稻根中受重金屬和氧化脅迫誘導。重金屬鎘（20μmol/L）可迅速并顯著地誘導水稻幼苗根中的ospdr9表達［32］。

有研究表明MRP對鎘的隔離起作用［33］。MRP3受鎘脅迫后表達量上調，如在低鎘（20μmol/L）和高鎘（200μmol/L）濃度下，大麥（Hordeumvulgare）中有一個與AtMRP3具有同源性的基因表達上調［34］。AtMRP3，4，6，7，14受鎘脅迫后表達上調，而且它們的轉錄水平是由重金屬離子直接調控的［35－37］。AtMRP3可以轉運Cd（II），在8ycf1突變體中表達時能部分恢復酵母對鎘的耐性［38］。擬南芥MRP7位于液泡膜和細胞膜上，AtMRP7在煙草（Nicotianatabacum）中的過量表達增強了煙草對鎘的耐性并提高了葉片液泡中的鎘含量，說明它是通過液泡儲存降低鎘毒性的。異源的AtMRP7的表達也能使更多的鎘滯留在煙草根中，對鎘從根到地上部的遷移產生影響［36］。

3.2 P－type ATPase

各種P－type ATPase離子泵具有一個共同的作用機理，即ATP水解幫助離子進行跨膜運輸。P－type ATPase在所有生物體中都存在，可以轉移各種離子，包括H＋、Na＋/K＋、H＋/K＋、Ca2＋及重金屬，根據其轉運底物的不同可將P－type ATPase分為5個主要的類別和10個亞家族。細菌、植物與人類中與重金屬轉運相關的P－type ATPase被劃分為 P1B亞家族，也被稱作重金屬 ATP酶（heavy metal ATPases，HMA）［39］。P1B－type ATPase能將多種重金屬離子如Cd2＋、Cu2＋和Zn2＋等進行跨膜運輸，在金屬的內環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起重要作用［40］。

在細菌中，P1B－type ATPases負責將有毒的二價或單價重金屬泵出細胞。這些ATPases的N末端是由一個βαββαβ折疊和一個CXXC金屬結合基序組成金屬結合區(qū)域［41］。ZntA也屬于P1B－type ATPase，與大腸桿菌對Pb2＋、Zn2＋和Cd2＋的抗性有關。ZntA能高親和力地結合2個金屬離子，一個是在N末端區(qū)域，另一個是在跨膜區(qū)域。2個位點均能結合二價的或單價的金屬離子［42］。大腸桿菌基因ZntA，編碼Pb（II）/Cd（II）/Zn（II）離子泵。將大腸桿菌基因ZntA轉化到擬南芥中，發(fā)現ZntA定位于細胞膜上，提高了擬南芥對Pb（II）和Cd（II）的抗性，降低了擬南芥地上部鉛和鎘的含量［43］。

擬南芥AtHMA3蛋白與重金屬轉運相關，能將重金屬限制在液泡內以提高植株對重金屬的耐性，AtHMA3集中在液泡膜上，這與其將鎘泵入液泡的功能一致［44］。AtHMA3能在保衛(wèi)細胞、排水孔、維管組織和根尖高效表達。AtHMA3的過量表達可以提高轉基因擬南芥對鎘、鈷、鉛和鋅的耐性，并且過量表達AtHMA3的植株中鎘的積累量比野生型高2～3倍［45］。日本岡山大學的一個研究小組在水稻中發(fā)現了1個控制Cd向地上部分轉運的基因OsHMA3，對這個基因進行過表達或抑制表達可完全改變水稻籽粒中鎘的累積量。低鎘品種的OsHMA3能將鎘限制在根液泡中而使其不能向地上部轉運［46］。擬南芥HMA4作為一種流出泵在高濃度重金屬解毒方面起重要作用。AtHMA3在酵母ycf1缺失突變體中表達時能提高酵母對鎘的抗性，但是在野生型酵母中表達時沒有提高對鎘的抗性。AtHMA4在酵母ycf1缺失突變體和野生酵母中表達時，均能提高酵母對鎘的抗性。這可能與它們在酵母中表達時蛋白的定位相關，AtHMA4位于細胞膜上，能將鎘泵出細胞；而AtHMA3位于液泡膜，只能將鎘限制在液泡內，因此只提高了ycf1突變株對鎘的抗性［47］。HMA2和HMA4對鋅從根到地上部的轉移是必不可少的，它們也能轉運鎘［48］。AtHMA4集中在細胞膜上并在根的維管束周圍表達。異源AtHMA4的過量表達能促進轉基因植株根在含鋅、鎘、鈷的溶液中生長。AtHMA4缺失突變體植株中，根到地上部鋅、鎘的轉移量降低，可見AtHMA4對金屬轉運到木質部起重要作用［49］。也有研究認為HMA4在鼠耳芥中的組成性高量表達是鼠耳芥富集鋅和鎘的決定因素［50］。它能使鋅從根的共質體中釋放出來，流入導管，轉運到地上部。HMA4在遏藍菜（Thlaspiarvense）中也起到相似的作用［51］。TcHMA4蛋白C末端含有許多可能與重金屬結合的His和Cys重復，在重金屬到木質部的轉運中起重要作用［52］。另外，水稻OsHMA9也是P1B－type ATPase家族的一個成員，它的表達被高濃度的銅、鋅和鎘所誘導。OsHMA9：綠色熒光蛋白融合物定位于質膜上。OsHMA9能將銅、鋅和鉛泵出細胞［53］。

3.3 其他與鎘、鉛轉運相關基因

植物中的陽離子反向運輸器（antiporter－cation exchanger，CAX）是一種Ca2＋/H＋交換器，可以在液泡膜上將Cd（II）與質子進行交換，將鎘固定在液泡內［54］。擬南芥的陽離子交換器CAXs編碼定位于液泡膜上的轉運蛋白，對液泡積累和隔離鎘（Cd2＋）起重要作用。Koren’kov等［55］將一些擬南芥CAX基因轉化到煙草中，比較不同的CAX基因，發(fā)現它們都能不同程度地轉運Cd2＋、Ca2＋、Zn2＋和 Mn2＋，其中CAX4和CAX2能高選擇性地將Cd2＋轉運到液泡。CAX4能提高根液泡膜Cd2＋/H＋交換量和初始交換速率。當轉基因植株種植在含有0.02 μmol/L Cd的介質中時，CAX4和CAX2表達的煙草植株根中鎘積累量增加［56］。

AtMHX是擬南芥液泡轉運子，由單一基因編碼，它能交換質子Mg2＋、Zn2＋和Fe2＋。AtMHX在煙草中的過量表達使煙草對 Mg2＋、Zn2＋和Cd2＋敏感，誘導V－ATPase表達，并使植物尺寸減小。AtMHX不只是將Mg2＋和Zn2＋帶入植物體內，也將Cd2＋帶入植物體內［57］。AtIRT1（定位在根細胞的細胞膜上）是擬南芥根中主要的離子吸收系統(tǒng)，它也能轉運大量的鎘［58］。ZIP家族也是金屬轉運蛋白中的重要家族，它也定位在細胞膜上，與根細胞從土壤中吸收鎘和鎘從根向地上部的轉運相關［59］。

也有報道發(fā)現一些基因能增加植物對Pb的積累量。煙草鈣調素結合蛋白基因（NtCBP4）的過量表達能使植株對Pb2＋具有超敏感性，但體內Pb2＋的積累較多。NtCBP4與重金屬吸收相關可能是通過質膜起作用的，結構分析表明它是一種非選擇性陽離子通道［60］。

4 研究展望

近年來，植物中與重金屬轉運和積累相關的機理研究受到越來越廣泛的關注和重視，然而，重金屬轉運和積累是極其復雜的生理過程。重金屬在植物中的轉運和分布對植物各器官積累重金屬的能力是非常重要的。許多植物通過共質體途徑和質外體途徑限制重金屬轉運到木質部，進而減少其向地上部的運輸。當植物根系暴露在濃度較高的重金屬環(huán)境中時，植物可以通過一些轉運蛋白如MRP7、HMA3、CAXs等將重金屬轉運到液泡，并且產生更多的植物絡合素將一些重金屬絡合在液泡中，以減少對植物的毒害作用。這樣可以減少共質體中的重金屬含量，同時也減少了進入木質部的重金屬的量。另外，植物還可以通過加速內皮層的發(fā)育來減少質外體途徑對重金屬的運輸。雖然有關重金屬在植物體內轉運的生理機制研究較多，但是，這些轉運是否會受到其他重金屬的干擾還了解甚少。當前大多重金屬污染是多種重金屬的復合污染，因此，研究多種重金屬存在的條件下重金屬在植物體內的轉運和積累過程是今后研究的一種發(fā)展趨勢。

重金屬的轉運過程受到多基因的控制。雖然這方面的研究已取得一些進展，但迄今仍有許多地方仍不明確。與重金屬轉運相關的基因多積累在ABC轉運蛋白家族和P－type ATPase，而其他方面的基因報道較少。因此，以后的研究也需要探尋更多的與重金屬轉運相關的基因。另外，雖然現在研究了不少參與重金屬的吸收、轉運和調控過程的基因，但是這些基因是怎樣協(xié)同工作，又是通過哪些機制來調控，還知之甚少。這些將成為后一階段的研究重點，也是重金屬在植物體內轉運機理研究的一大發(fā)展趨勢。

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