畢景文，劉 秒，劉秀成，王玉婷，李春陽(yáng)

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311121)

鎘是一種高毒性的有害重金屬.近年來(lái)，由于人類活動(dòng)的加劇，土壤鎘污染日益嚴(yán)重.鎘脅迫能夠抑制植物光合作用，誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，改變酶的活性和碳氮的平衡，進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)和代謝[1-2].不僅如此，鎘也能夠通過(guò)食物鏈的富集危害動(dòng)物和人類的健康.因此，修復(fù)鎘污染的土地、提高中輕度鎘污染土壤植物生長(zhǎng)和作物安全已經(jīng)成為農(nóng)林業(yè)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題.

植物修復(fù)由于花費(fèi)低、適應(yīng)性廣和無(wú)二次污染被認(rèn)為是修復(fù)土壤重金屬的一種有效的生物技術(shù)手段.然而，植物修復(fù)由于生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，對(duì)土壤環(huán)境要求比較苛刻，具有很強(qiáng)的季節(jié)依賴性等特點(diǎn)，使其很難在農(nóng)田和食物相對(duì)短缺的地方大量開展.近年來(lái)，通過(guò)合理的養(yǎng)分管理正確處理礦質(zhì)養(yǎng)分和鎘之間的關(guān)系被認(rèn)為是一種費(fèi)用低、周期短、效率高的利用植物修復(fù)鎘污染土壤的技術(shù)措施[3-4].施肥影響根際微生物的組成、根系生長(zhǎng)和植株地上部生長(zhǎng)，從而改變土壤鎘的有效性，進(jìn)而影響鎘的吸收和積累[5-7].在礦質(zhì)元素中，氮素是植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素.氮素營(yíng)養(yǎng)既是植物體內(nèi)重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，又是植物體內(nèi)調(diào)控生化反應(yīng)的關(guān)鍵物質(zhì)酶的主要成分[7].氮素的施用提高植物對(duì)鎘脅迫的耐性.我們課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)氮的施用增加青楊雌株鎘的耐性，縮小雌雄青楊對(duì)鎘脅迫的性別差異性響應(yīng)[8-9].因此，氮肥的合理施用能夠有效地調(diào)控植物對(duì)鎘的吸收和耐性.本文綜述了鎘脅迫對(duì)植物氮代謝以及氮肥施用對(duì)于鎘吸收的影響，并探討了其在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用前景.

1 鎘脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

作為植物非必需的高毒重金屬元素，鎘離子被吸收后會(huì)產(chǎn)生一系列毒害效應(yīng)(圖1)[10].鎘能夠降低葉綠素的含量、光合速率、碳的固定，從而抑制植物的生長(zhǎng).通常，植物根系是最先與鎘接觸的部位也是最先遭受鎘毒害的部位[11].鎘毒能夠降低白根和側(cè)根的數(shù)量，使根系變短變粗、顏色加深，根系活力降低，進(jìn)而影響植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收[12].隨著鎘向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，鎘毒進(jìn)一步表現(xiàn)為元素(Fe、P等)失衡、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，葉片失綠、卷縮，葉柄葉脈變紅等毒害癥狀[1,13].鎘通過(guò)阻礙植物根系對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分布，導(dǎo)致植物體內(nèi)養(yǎng)分平衡破壞；另外，鎘通過(guò)抑制氣孔開放，破壞水分平衡、卡爾文循環(huán)、光合作用、碳水化合物代謝過(guò)程[1,11,14]，改變植物體內(nèi)氧化還原狀態(tài).鎘還可通過(guò)刺激還原型輔酶Ⅱ酶活性，誘導(dǎo)活性氧過(guò)量積累，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)超氧化物、H2O2積累以及脂質(zhì)過(guò)氧化[15]，此外，盡管鎘能夠促進(jìn)植物螯合肽合成，但是由于合成螯合肽的谷胱甘肽的增加，可能導(dǎo)致谷胱甘肽耗竭，而谷胱甘肽是維持細(xì)胞氧化還原平衡的重要代謝物[16].

圖1 植物主要鎘脅迫示意圖Fig.1 Schematic summary of major cadmium stress mechanisms of plants

2 鎘脅迫對(duì)植物體內(nèi)氮代謝的影響

NR, 硝酸還原酶; NiR, 亞硝酸還原酶; GS, 谷氨酰胺合成酶; GR, 谷胱甘肽還原酶; GS-GOGAT, 谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶; Cys, L-半胱氨酸; GSH, 谷胱甘肽; PCs, 植物絡(luò)合素; PCS-Cd, 植物螯肽合成酶-鎘; NADPH, 磷酸酰胺腺嘌呤二核苷酸; GSSG, 氧化型谷胱甘肽.

圖2 鎘脅迫下氮(N)同化途徑示意圖
Fig.2 Schematic representation of major points of coordination nitrogenassimilation pathway potentially involved in the counteractionof adverse effects of cadmium stress in plants

研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫干擾植物氮的代謝過(guò)程(圖2)[17-19].鎘脅迫對(duì)植物氮代謝的影響取決于植物種類、年齡和鎘脅迫的時(shí)間.鎘脅迫下，植物可通過(guò)維持正常的氮代謝水平提高對(duì)鎘的耐受性[17-18].硝酸鹽被植物吸收后，被轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，在葉片中硝酸鹽通過(guò)硝酸還原酶還原成亞硝酸鹽，然后在亞硝酸還原酶的作用下還原成銨.此后，在質(zhì)體或者葉綠體中，通過(guò)谷氨酸合成酶/谷氨酸合成酶循環(huán)將銨同化成氨基酸.鎘脅迫抑制硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體如NRT1.1的活性，從而抑制硝酸鹽的吸收；同時(shí)鎘脅迫降低氮代謝同化過(guò)程的一些關(guān)鍵酶如硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性，降低根系對(duì)硝酸鹽的吸收及其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制或破壞植物對(duì)硝酸鹽的利用[18,20].鎘脅迫條件下，植物體內(nèi)GS-GOGAT循環(huán)活性降低，NADH-GDH途徑中氨同化活性也受到抑制[21].利用放射性標(biāo)記的(15N)銨和(15N)谷氨酸示蹤劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，谷氨酰銨合成酶和谷氨酸脫氫酶在鎘脅迫下植物氮循環(huán)中發(fā)揮著不同的作用[16]，而谷氨酰銨合成酶和谷氨酸脫氫酶代謝抑制勢(shì)必影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程.

3 氮素對(duì)植物鎘脅迫響應(yīng)的調(diào)控

圖3 氮素對(duì)植物鎘脅迫的響應(yīng)Fig.3 Possible mechanisms of nitrogen in reducing cadmium stress in plants

研究表明，鎘脅迫下，通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充氮素能夠提高植物對(duì)鎘污染土壤修復(fù)效率，被認(rèn)為是植物修復(fù)重金屬污染土壤的重要策略之一(圖3)[3].氮素對(duì)植物中鎘脅迫的保護(hù)作用主要涉及抗氧化和鎘的脫毒等過(guò)程[5,7,18].氮素能夠通過(guò)植物生物量增加或減少葉片脫落等稀釋植物體內(nèi)鎘濃度，降低鎘毒性.另外，氮素能夠提高植物根系對(duì)必需元素的吸收和葉片對(duì)鎘的區(qū)隔來(lái)降低鎘的毒害作用[19,22].氮代謝一些物質(zhì)如自由氨基酸，能夠作為一種信號(hào)物質(zhì)通過(guò)參與植物鎘脅迫下滲透調(diào)節(jié)、自由基的清除、離子運(yùn)輸和氣孔開放的調(diào)控等來(lái)實(shí)現(xiàn)鎘的解毒[1,18-19].總之，通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充氮素能夠改善植物毒害狀態(tài)，提高光合效率、維持植物養(yǎng)分平衡等過(guò)程提高對(duì)鎘脅迫的抗性[8,23].

3.1 氮素與鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和阻隔

3.2 氮素對(duì)鎘脅迫下離子平衡影響

鎘脅迫破壞植物體內(nèi)離子的平衡狀態(tài).鎘能夠與其他的營(yíng)養(yǎng)元素如Ca2+、Mg2+、Fe2+競(jìng)爭(zhēng)質(zhì)膜上相同的轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)，植物對(duì)鎘的吸收勢(shì)必干擾對(duì)其他養(yǎng)分離子的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布，從而導(dǎo)致養(yǎng)分失衡[14,18].植物體內(nèi)錳、鐵、鎂、硫、磷濃度降低是鎘脅迫抑制葉片光合和植物體生長(zhǎng)的主要原因之一[33].鎘脅迫下添加氮素營(yíng)養(yǎng)可充分調(diào)控植物體內(nèi)離子平衡，從而促進(jìn)植物鎘耐性[4,34].鎘脅迫下氮素與鎘離子相互作用，通過(guò)增加Ca2+、Mg2+、Fe2+的吸收、積累，可減少鎘離子的吸收和積累，提高植物對(duì)鎘的耐性[34-35].氮素對(duì)根系中K+、Ca2+、Na+和Mg2+的濃度無(wú)顯著影響，但顯著影響了這些陽(yáng)離子在葉片中的濃度[36].

3.3 氮素對(duì)鎘脅迫下植物滲透勢(shì)調(diào)控

3.4 氮素對(duì)氧化損傷和抗氧化酶活性的影響

盡管鎘不能直接參與植物氧化還原反應(yīng)，但可以誘導(dǎo)氧化損傷破壞植物內(nèi)穩(wěn)態(tài).鎘脅迫能夠激活植物細(xì)胞NADPH氧化酶，導(dǎo)致過(guò)氧化氫、過(guò)氧化物、超氧自由基等活性氧類物質(zhì)(ROS)的積累以及膜質(zhì)過(guò)氧化[15].為保護(hù)植物免受鎘脅迫誘導(dǎo)氧化損傷，植物通過(guò)積累、合成不同抗氧化物質(zhì)提高鎘的耐性[19].其中有許多含氮化合物.例如，Gouia 等[40]研究表明鎘脅迫下，氮素施用增強(qiáng)細(xì)胞中含氮物質(zhì)如脯氨酸、天冬酰胺、蔗糖、葡萄糖等的積累，提高植物對(duì)鎘的耐性.另外，氮素能夠通過(guò)降低丙二醛濃度來(lái)提高植物對(duì)鎘的耐受性[41].Hassan 等[42]研究表明，鎘脅迫下氮素的添加通常會(huì)降低丙二醛的積累.氮素誘導(dǎo)的丙二醛下降是由于含氮化合物的增加導(dǎo)致的，這些化合物可通過(guò)穩(wěn)定大分子、維持體內(nèi)活性氧平衡和抵抗植物細(xì)胞中氧化還原電位變化來(lái)改善植物對(duì)鎘脅迫的適應(yīng).綜上所述，氮素誘導(dǎo)和刺激抗氧化防御系統(tǒng)來(lái)保護(hù)植物大分子免受活性氧的侵害，提高植物對(duì)鎘的耐受性.

3.5 氮素形態(tài)對(duì)植物鎘耐性的影響

表1 氮素形態(tài)對(duì)植物生理指標(biāo)的影響Tab.1 Effect of nitrogen forms on physiological indicators

4 結(jié)論與展望

鎘脅迫降低植物氮的吸收和同化，且可能會(huì)因?yàn)榕c鎘之間的交互作用在氮吸收、利用、易位方面發(fā)生變化或通過(guò)降低相對(duì)生長(zhǎng)量來(lái)降低植物對(duì)氮的需求.鎘脅迫下，根際鎘形態(tài)與濃度、施氮形態(tài)和植物種類對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的影響存在較大差異.低至中等鎘脅迫下，增加氮素供應(yīng)可以有效改善鎘脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響.在鎘脅迫程度較高的情況下，充足的氮素可以在一定程度緩解土壤的鎘脅迫效應(yīng)，而過(guò)量氮素會(huì)造成土壤過(guò)量氮污染環(huán)境.

了解鎘脅迫下氮源及氮代謝對(duì)植物鎘耐性研究具有重要意義.鎘脅迫下植物對(duì)氮素的響應(yīng)隨植物種類、性別、生長(zhǎng)階段、土壤類型等因素而變化，我們?nèi)孕柽M(jìn)一步研究，以發(fā)現(xiàn)氮素對(duì)鎘脅迫的緩解作用對(duì)不同植物種類、性別、土壤類型等因素的影響；并確定特定物種和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的最佳氮利用率，通過(guò)合理的養(yǎng)分管理正確處理植物氮素和鎘脅迫之間的關(guān)系，促進(jìn)植物對(duì)鎘的吸收，利用植物更好地修復(fù)鎘污染土壤.