張?zhí)铮Z慧莉，何振艷

1 中國科學院植物研究所 北方資源植物重點實驗室，北京 100093

2 中國科學院大學 生命科學學院，北京 100049

砷是一種自然界中廣泛存在的類金屬元素，由于其強毒性而被歸類于重金屬。隨著社會發(fā)展，化石燃料的燃燒、砷礦的開采、含砷農(nóng)藥及化學制品的使用、工業(yè)廢水的排放等人為因素，使得土壤中的砷濃度日益增加，引起了世界范圍內(nèi)不同程度的土壤砷污染問題。土壤中的砷可通過食物鏈富集到人體中，進而誘發(fā)皮膚癌和肺癌、肝癌等疾病[1]。目前，世界范圍內(nèi)的許多國家和地區(qū)面臨著嚴峻的土壤砷污染問題。土壤砷污染對食品安全和人類健康已造成嚴重威脅。一些國家如波蘭、墨西哥的砷污染區(qū)，土壤砷濃度甚至超出標準限值 (24 mg/kg US EPA) 的百倍以上[2]。我國是世界上砷污染最為嚴重的國家之一，尤其是湖南、云南、廣西、廣州、貴州等省份土壤砷污染程度更為突出[3]。土壤砷污染是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，砷污染土壤的治理對人類健康具有重要意義。

蜈蚣草Pteris vittataL.是一種砷的超富集植物，具有極強的砷抗性和超富集砷的能力，可在砷濃度高達1 500 mg/kg的土壤中正常生長，地上部分積累的砷可達22 630 mg/kg，遠高于一般常見植物 (<10 mg/kg)[4]。與非超富集砷的植物相比，蜈蚣草中的砷從根到地上部分的易位更為高效，砷的生物轉移系數(shù)可達24，能迅速將砷富集到地上部分，從而增加砷的積累量[5]。蜈蚣草作為超富集砷的典型植物，以該植物為基礎開發(fā)的植物修復技術，成本低、操作簡單、不易造成二次污染，近年來已在我國蜈蚣草適生的河南、湖南和廣西等地進行修復技術示范[6-8]。以蜈蚣草為研究對象，對其超富集砷的分子機制進行解析，闡釋蜈蚣草對砷的轉運和解毒機理，可為超富集砷的工程植株的改良和開發(fā)提供依據(jù)，是砷污染植物修復技術廣泛應用的核心理論基礎，該領域的研究已日益成為科研人員的關注熱點。

1 蜈蚣草超富集砷的組學研究

蜈蚣草基因組十分龐大，有研究人員推測蜈蚣草基因組大小約為4 834 Mb[9]，分別為擬南芥和人類的40倍和1.6倍，且蜈蚣草細胞組成十分復雜，包括二倍體、三倍體、四倍體、五倍體和六倍體5種細胞型[10]，基因組測序難度巨大，迄今未有基因組信息的報道。為了在組學水平上對蜈蚣草超富集砷的分子機制進行解析，Yan等[11]通過優(yōu)化后的三代全長轉錄組 (Single-molecular real-time，SMRT) 策略，建立了一個蜈蚣草的全長轉錄組數(shù)據(jù)庫。作為新一代的轉錄組測序技術，SMRT測序的讀長可達50 kb，轉錄本的長度和完整性高于二代測序技術 (Next-generation sequencing，NGS)，已廣泛應用于玉米和高粱等植物的研究中。然而，SMRT測序的單堿基錯誤率較高，對于有參物種，研究人員通過參考基因組對測序結果進行校正。由于基因組信息的缺乏，該策略無法運用于蜈蚣草。為了解決這一問題，Yan等[11]使用二代測序NGS高質量的短讀長片段對SMRT的測序質量進行優(yōu)化，顯著提高了SMRT測序的準確率。通過優(yōu)化后的二代結合三代全長轉錄組策略，構建了一個包含69 615個全長轉錄本、381個長鏈非編碼RNA (Long non-coding RNA,lncRNA)、1 482個可變剪切事件的蜈蚣草全長轉錄組數(shù)據(jù)庫。

蜈蚣草高效的砷轉運和區(qū)隔化效率是其超富集砷的重要基礎。為探究蜈蚣草轉運砷的分子機制，研究人員對蜈蚣草砷處理前后地上和地下部分的差異基因進行了鑒定，結合基因注釋、KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes) 富集、WGCNA (Gene co-expression network analysis)等分析結果，發(fā)現(xiàn)了砷響應的226個轉運蛋白，主要屬于六大蛋白轉運家族：砷抗性蛋白家族(ACR3)、ATP結合盒 (ABC) 超家族、P型 ATP酶、主要協(xié)助轉運蛋白超家族 (MFS)、水通道蛋白家族MIP和硝酸鹽轉運蛋白3.1家族 (NRT3.1)。相比于其他轉運蛋白家族，該六大家族在砷處理后表達水平極高，暗示其可能作為蜈蚣草轉運砷的重要成員發(fā)揮作用。

除轉錄組外，Shen等[12]利用碘克沙醇 (Iodixanol)密度梯度離心的方法提取了蜈蚣草羽葉液泡膜，并通過輕重鏈標記的定量蛋白質組學技術檢測了蜈蚣草羽葉液泡膜蛋白的表達情況。研究共鑒定得到1 512個液泡膜蛋白肽段信息，并初步在NCBI綠色植物數(shù)據(jù)庫中鑒定到56種液泡膜蛋白，其中24種為轉運蛋白，7種在砷處理條件下差異表達。差異表達的蛋白包括表達上調(diào)的 TDT family蛋白、TerC family蛋白和PDR-like蛋白 (ABCG 轉運蛋白家族)，及表達下調(diào)的H+pump、V-ATPase C、E和G亞基以及液泡V-PPase。Yan等[11]進一步在全長轉錄組數(shù)據(jù)庫中對蜈蚣草液泡膜蛋白質組結果重新注釋，結果共得到119個液泡膜轉運蛋白。其中ATP結合盒 (ABC) 超家族、水通道蛋白家族MIP、主要協(xié)助轉運蛋白超家族 (MFS)、P型ATP酶這4個轉運蛋白家族對砷響應且表達水平最高，暗示其可能在砷的液泡區(qū)隔化中起關鍵作用。以上研究為闡明蜈蚣草超富集砷的分子機制提供了新的候選基因，尤其對轉運和區(qū)隔化機制提供了重要參考。

與非超富集植物相比，蜈蚣草的另一個特點是具有極高的砷抗性，暗示其在長期進化過程中蘊含著特殊的解毒機制幫助其緩解砷的毒害。通過對砷誘導表達的轉錄本進行聚類分析，Yan等[11]推測出兩條新的砷抗性途徑：錯誤折疊蛋白降解途徑和谷胱甘肽 (Glutathione，GSH) 代謝途徑。前人研究表明，重金屬可引發(fā)植物細胞內(nèi)蛋白的錯誤折疊，從而引發(fā)內(nèi)質網(wǎng)脅迫，造成細胞損傷[13]。細胞通過內(nèi)質網(wǎng)相關蛋白質降解 (Endoplasmic reticulum-associated degradation，ERAD) 途徑與泛素蛋白酶體途徑 (Ubiquitin proteasome pathway，UPP) 特異性地降解內(nèi)質網(wǎng)中的錯誤折疊蛋白，緩解重金屬的傷害[14]。通過蜈蚣草差異轉錄組分析，Yan等[11]發(fā)現(xiàn)砷處理后的蜈蚣草中內(nèi)質網(wǎng)脅迫相關的基因并沒有響應，而參與ERAD和UPP通路的基因在地上和地下組織中都上調(diào)表達。值得注意的是，這些基因在根中的表達量顯著高于地上部分。根是與環(huán)境中砷直接接觸的組織，錯誤折疊蛋白降解途徑的上調(diào)表達，減少了砷引起的內(nèi)質網(wǎng)脅迫，保證了根正常代謝活動的進行，從而使根系具有較強的抗砷能力。

除錯誤折疊蛋白降解途徑外，砷與硫醇類化合物的絡合作用也是許多植物中一種重要的砷解毒機制[15-16]。有生理實驗表明蜈蚣草中的GSH含量高于非超富集植物，且GSH含量可隨砷處理濃度增加而升高[17-19]。Yan等[11]對砷處理后相關轉錄本的表達量進行分析，發(fā)現(xiàn)砷處理后催化亞砷酸鹽與GSH絡合的谷胱甘肽S-轉移酶 (GST) 表達上調(diào)。但是 Zhao等[20]在蜈蚣草體內(nèi)僅檢測到少量As-GSH復合物的存在。因此，科研人員推測蜈蚣草中的砷以As-GSH絡合物的形式進入液泡，但是由于液泡不含GST且As-GSH具有高度不穩(wěn)定性，液泡中的絡合物很快被降解。亞砷酸鹽與GSH的高效絡合-轉運-降解途徑可能也是蜈蚣草砷抗性的重要機制之一。

2 蜈蚣草超富集砷的分子元件

砷在蜈蚣草中的積累主要涉及砷的吸收、砷的還原、砷的運輸和砷的區(qū)隔化4個環(huán)節(jié)[21-24]。土壤中的砷主要以砷酸鹽的形式通過根的吸收進入蜈蚣草體內(nèi)，并在根中還原成亞砷酸鹽[5,25]。進入根中的砷少部分被區(qū)隔化到液泡和囊泡中，大部分通過細胞水平的短距離運輸?shù)竭_木質部附近，并通過木質部的裝載進入中柱[26-27]。到達中柱的砷通過木質部導管介導的長距離運輸?shù)竭_地上部分，并通過液泡區(qū)隔化作用在羽葉的液泡中聚集[28-29]。目前，砷運輸?shù)姆肿釉€未見報道，其他環(huán)節(jié)均已鑒定得到部分相關分子元件。

2.1 砷的吸收

環(huán)境中最常見的砷形態(tài)為無機態(tài)的砷酸鹽(AsⅤ) 和亞砷酸鹽 (AsⅢ)，AsⅤ是在有氧條件下土壤中主要的砷形態(tài)，但也有少量 AsⅢ存在[30]。蜈蚣草可同時吸收砷酸鹽和亞砷酸鹽，但對砷酸鹽的吸收更為高效，研究人員推測可能是蜈蚣草中的轉運蛋白對砷酸鹽的親和力更高[31]。蜈蚣草體內(nèi)砷形態(tài)檢測結果表明，在蜈蚣草根中，砷酸鹽為主要形態(tài)，占根中總砷的40%–70%。而在羽葉中，砷大多以亞砷酸鹽的形態(tài)存在，其含量為植株中總砷的70%–90%[32-34]。這表明砷主要以砷酸鹽的形態(tài)被蜈蚣草根吸收，在向羽葉轉運的過程中被還原為亞砷酸鹽。

由于砷不是生命體必需的物質，尚未在植物中鑒定到砷的特異性吸收系統(tǒng)。砷的吸收途徑都是通過模擬其他底物利用其轉運通道進行轉運，例如磷酸鹽通道、葡萄糖和甘油通道等[35]。研究表明蜈蚣草砷酸鹽作為磷酸鹽的類似物，與磷酸鹽的吸收存在明顯競爭，增加磷酸鹽處理濃度會減少蜈蚣草對砷酸鹽的吸收，增加砷酸鹽處理濃度會降低根中磷酸鹽含量[36]。以73AsV作為同位素示蹤劑的轉運實驗發(fā)現(xiàn)蜈蚣草遵循米氏動力學，利用磷酸轉運蛋白吸收砷酸鹽[37]。

已有研究證明在其他植物，例如水稻和擬南芥中，砷酸鹽可通過磷酸鹽轉運蛋白 Pht1(Phosphate transporter 1) 家族成員進行轉運[38-39]。在蜈蚣草中，研究人員克隆得到了3個Pht1家族成員基因PvPht1;1、PvPht1;2和PvPht1;3[40]。在酵母體系中對其進行功能驗證，結果發(fā)現(xiàn)轉化PvPht1;3的酵母表現(xiàn)出對砷酸鹽敏感的表型，且對砷酸鹽的積累量增加，說明PvPht1;3蛋白具有砷酸鹽轉運能力。將其與擬南芥AtPht1;5蛋白的功能進行比較，結果表明前者具有比后者更高的砷酸鹽轉運效率。放射性標記攝取實驗表明PvPht1;3蛋白對砷酸鹽的親和力遠高于 AtPht1;5蛋白，進一步表明PvPht1;3是一個具有高親和的砷酸鹽轉運蛋白，可能在蜈蚣草對砷酸鹽的高效吸收機制發(fā)揮了重要作用。將PvPht1;3基因在煙草中異源表達，可增強煙草對砷酸鹽的吸收和轉運，提高地上部分對砷酸鹽的積累量[41]，暗示PvPht1;3基因可作為提高修復植物對砷的富集能力的候選基因元件。

在亞砷酸鹽的轉運過程中，Wang等[36]發(fā)現(xiàn)磷酸鹽的存在不影響亞砷酸鹽的吸收，說明砷酸鹽和亞砷酸鹽以不同的方式被根吸收。在植物中，水通道蛋白被證明是植物亞砷酸吸收的主要途徑之一[42]。植物的水通道蛋白超家族極為豐富，包括多個亞家族，如NIPs (26-like intrinsic proteins)、PIPs (Plasma membrane intrinsic proteins)、TIPs(Tonoplast intrinsic proteins) 等。其中在高等植物如擬南芥、水稻中，NIPs被證明負責根部亞砷酸鹽的吸收[27]。在蜈蚣草中，He等[43]克隆到一個介導亞砷酸鹽吸收的蜈蚣草 TIP類水通道蛋白PvTIP4;1。將PvTIP4;1基因在酵母中進行表達可增加酵母中砷的積累量，表明PvTIP4;1蛋白為砷轉運通道。進一步將PvTIP4;1基因在擬南芥中異源表達，結果發(fā)現(xiàn)，轉基因擬南芥對砷敏感且體內(nèi)砷積累量顯著增加。組織和亞細胞定位結果表明，PvTIP4;1蛋白主要定位于蜈蚣草根的質膜，推測PvTIP4;1基因介導蜈蚣草根部亞砷酸鹽的吸收過程。

2.2 砷的還原

蜈蚣草根中的主要砷形態(tài)為砷酸鹽，羽葉中為亞砷酸鹽，說明蜈蚣草砷代謝存在著砷酸鹽還原的過程[44]。對蜈蚣草根狀莖的砷形態(tài)檢測結果表明，在根的表皮和皮層中，砷主要以AsⅤ形式存在，而從內(nèi)皮層到維管束AsⅢ所占比例增加。因此研究人員推測根部砷酸鹽的還原主要發(fā)生在根狀莖的內(nèi)皮層。砷從AsⅤ被還原為AsⅢ可能有助于其從根狀莖細胞中的排出及木質部裝載[45]。Wang等[25]的研究發(fā)現(xiàn)在低濃度砷處理的條件下，蜈蚣草根中積累的砷較少，AsⅢ優(yōu)先于AsⅤ被裝載轉運至地上部分。但是當蜈蚣草根中的砷含量超越了根部的還原能力時，會出現(xiàn) AsⅤ和 AsⅢ競爭性的裝載轉移，無法在根部還原的AsⅤ會直接轉運至地上部羽葉中，并在羽葉中被還原。

微生物中的砷酸鹽還原機制已被廣泛研究，在原核生物中，AsⅤ通過砷酸還原酶 ArsC被還原為AsⅢ[46]。在真核生物釀酒酵母中ACR2砷酸還原酶介導 AsⅤ的還原[47]。迄今為止，ArsC蛋白家族在植物中還未有同源蛋白被鑒定得到，但ACR2家族在植物中的同源蛋白，如擬南芥AtACR2以及水稻 OsACR2.1、OsACR2.2等，都被證明具有砷酸還原酶活性，介導了 AsⅤ的還原[48-49]。Ellis等[50]也從蜈蚣草配子體中克隆到了砷酸還原酶基因 PvACR2，將其轉入還原酶基因ScACR2缺失的酵母突變體中，可抑制其對砷敏感和超積累的表型。PvACR2蛋白與ScACR2蛋白具有類似的砷酸還原酶活性，而其在擬南芥中的同源基因CDC25既有砷酸還原酶活性，又有磷酸酶活性，而PvACR2蛋白是一個缺乏磷酸酶活性的植物砷酸還原酶。另外，PvACR2蛋白在蜈蚣草配子體中的表達不受砷處理的影響，暗示了蜈蚣草的超富集砷的能力可能是一種組成型適應特征，而不是由環(huán)境誘導的應激反應。

然而，也有研究表明，將AtACR2在擬南芥中敲除或超表達不影響擬南芥中砷的氧化還原狀態(tài)與擬南芥對砷的解毒和積累，ACR2在植物中可能不是砷氧化還原的關鍵酶[51]。另一項研究也證實了這一點，并通過全基因組關聯(lián)分析，在擬南芥中鑒定到一個新型砷酸還原酶 HAC1，可以催化根部外皮層中AsV的還原[52]。該蛋白的在水稻中的同家族成員如OsHAC1;1/2和OsHAC4也被證明是AsV的還原酶，在限制稻穗和籽粒中砷的積累方面起到重要作用[53-54]，在蜈蚣草中尚未見其同源基因的報道。

此外，Rathinasabapathi等[55]從蜈蚣草cDNA文庫中克隆了植物磷酸丙糖異構酶 (TPI) 的同源基因 Pv4-8，該基因表達產(chǎn)物具有特異性磷酸丙糖異構酶 (TPI) 活性。轉化Pv4-8基因的AsV大腸桿菌敏感菌株WC3110對AsV的抗性增強，且細胞內(nèi)AsⅢ的積累量高于轉入EcTPI基因的菌株。說明Pv4-8可能直接或間接參與了蜈蚣草體內(nèi)AsV的還原。Cai等[56]在蜈蚣草中鑒定得到一個新的砷酸鹽還原酶PvGSTF1。PvGSTF1基因編碼phi類GST蛋白的成員，其表達量可受砷酸鹽誘導上調(diào)，且可以互補ΔarsC砷酸還原酶大腸桿菌突變體功能。將PvGSTF1蛋白在體外純化，測定到其具有砷酸還原酶活性，進一步證明了PvGSTF1基因在蜈蚣草中起到AsV還原的作用。

2.3 砷的區(qū)隔化

蜈蚣草中轉運到地上部分的 AsⅢ絕大多數(shù)貯存在羽葉細胞的液泡膜中。Yang等[57]通過直接分離細胞壁、原生質體和液泡測定砷濃度的方法，對蜈蚣草愈傷組織細胞中砷的分布進行分析。發(fā)現(xiàn)愈傷組織中約94%的砷存在于原生質體中，其中91%存在于液泡中，表明液泡是蜈蚣草中砷的主要貯藏部位。通過能量色散 X射線光譜儀 (Energy dispersive X-ray spectroscopy，EDX) 技術和X射線吸收譜學 (X-ray absorption spectroscopy，XAS)技術等觀察砷在蜈蚣草中的亞細胞原位分布，發(fā)現(xiàn)在砷處理的情況下，絕大部分砷會通過區(qū)隔化作用聚集到羽葉的液泡中[29,33,58]。

研究人員在蜈蚣草中鑒定得到2個ACR3亞砷酸鹽外排基因同源物，分別為 PvACR3和PvACR3;1。2個同源基因都參與了砷的區(qū)隔化過程，但具有不同的表達模式。Indriolo等[59]報道了蜈蚣草液泡膜定位的PvACR3基因編碼一個同酵母中同源的亞砷酸鹽外排蛋白，可互補酵母ScACR3缺失突變體的表型，將其在蜈蚣草配子體中敲除可導致配子體對亞砷酸鹽敏感，說明PvACR3基因對蜈蚣草配子體砷耐受性有重要作用。亞細胞定位結果表明，PvACR3蛋白定位在配子體液泡膜上，預測其可能負責將亞砷酸鹽泵到液泡中通過區(qū)隔化作用進行解毒。Chen等[60]將 PvACR3基因轉化到擬南芥中，大大增加了砷從根部到地上部分的轉運，轉 PvACR3基因擬南芥地上部分砷的積累量約為野生型的 7.5倍，為超富集砷的工程植株的開發(fā)提供了重要依據(jù)。在蜈蚣草根中，Chen等[61]鑒定得到另一個液泡膜區(qū)隔化基因PvACR3;1。該基因編碼的蛋白主要定位于液泡膜，介導砷在根部細胞液泡的區(qū)隔化過程。將 PvACR3;1基因在擬南芥和煙草中異源表達，可增加砷在根部的儲存，減少向地上部分的運輸。此研究為限制砷在植物地上部分的積累提供了一種潛在策略。

研究人員在蜈蚣草羽葉中還克隆得到一種谷氧還原蛋白PvGrx5[62]，該蛋白可直接或間接地與液泡跨膜蛋白相互作用，影響細胞內(nèi)亞砷酸鹽積累水平。該研究推測在蜈蚣草羽葉中，谷氧還蛋白PvGrx5可能通過調(diào)節(jié)液泡GlpF蛋白的同源物(如液泡內(nèi)在蛋白 TIPs)，從而改變亞砷酸鹽向液泡內(nèi)的轉運，影響蜈蚣草液泡的區(qū)隔化過程。

Cai等[56]提出了一條類似于細菌的蜈蚣草砷區(qū)隔化機制。前人研究表明，在銅綠假單胞菌中存在一種新的砷酸鹽抗性系統(tǒng)，該系統(tǒng)將糖酵解酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (GAPDH) 與 MFS轉運蛋白耦聯(lián)。GAPDH 可催化 1-砷-3-磷酸甘油酸(1As3PGA) 的形成，絡合物被外排到細胞外并水解成砷酸鹽和 3-磷酸甘油酸 (3PGA)，從而達到解毒的目的。Cai等[56]通過砷處理前后的蜈蚣草配子體差異轉錄組鑒定得到3個砷處理后表達顯著上調(diào)的基因，分別編碼甘油醛-3-磷酸脫氫酶(PvGAPC1)、有機陽離子轉運蛋白4 (PvOCT4) 和谷胱甘肽 S-轉移酶 (PvGSTF1)。研究表明PvGAPC1蛋白具有極強的砷酸鹽親和力，PvOCT4是一種主要在囊泡上表達的膜蛋白，PvGSTF1蛋白具有較強的砷酸還原酶活性。將這3個基因分別在蜈蚣草配子體中敲除，敲除后的配子體均表現(xiàn)出對砷抗性減弱的表型，暗示這3個基因是賦予蜈蚣草砷抗性的必要基因。亞細胞定位表明，PvGAPC1和PvGSTF1蛋白具有相似的定位，在蜈蚣草細胞中共同定位在與膜結合的囊泡上。根據(jù)銅綠假單胞菌的抗性機制，研究人員推測，在蜈蚣草中，PvGAPC1可將細胞中的砷酸鹽轉化為1-砷-3-磷酸甘油酸，通過 PvOCT4泵入砷代謝囊泡，在囊泡中水解，釋放出砷酸鹽，PvGSTF1將砷酸鹽還原為亞砷酸鹽。最后囊泡與液泡膜融合后將亞砷酸鹽釋放到液泡中，進而完成砷的區(qū)隔化過程。

3 結論與展望

自砷的超富集植物蜈蚣草被發(fā)現(xiàn)以來，其超富集機制的研究多集中在生理生化水平。近年來，闡明蜈蚣草超富集砷的分子機制，挖掘應用于植物修復的分子元件已逐漸成為研究的熱點。隨著生物信息學和分子生物學的發(fā)展，轉錄組學和蛋白質組學已逐漸應用于蜈蚣草超富集砷的分子機制研究中，部分參與蜈蚣草超富集砷的分子元件已被鑒定。

在現(xiàn)有研究的基礎上，蜈蚣草超富集砷的過程中已被鑒定得到的分子元件如圖1所示：土壤中的 AsⅤ通過磷酸鹽轉運通道蛋白 PvPht1;3進入根部細胞，土壤中的 AsⅢ通過水通道蛋白PvTIP4;1被根部吸收。根部細胞中的AsⅤ可能經(jīng)由 2種途徑被還原。一種是通過砷酸還原酶PvACR2，并在磷酸丙糖異構酶Pv4-8的參與下還原為AsⅢ。另一種是被PvGAPC1轉化為1-砷-3-磷酸甘油酸，通過PvOCT4泵入砷代謝囊泡，在囊泡中水解并釋放，最后經(jīng)由PvGSTF1被還原為AsⅢ (虛線，推測途徑)。還原后的AsⅢ小部分可通過PvACR3;1和PvACR3介導或通過囊泡與液泡膜的融合 (虛線，推測途徑) 隔離在根部液泡中，大部分 AsⅢ跟小部分未被還原的 AsⅤ一起分別由未知的轉運蛋白經(jīng)由木質部轉運到地上部分的羽葉中。在羽葉細胞中，AsⅤ以與根部細胞同樣的方式被還原為AsⅢ。AsⅢ在PvACR3的介導下或經(jīng)由囊泡融合隔離在羽葉的液泡中，完成砷在羽葉的富集。

然而，現(xiàn)有研究還存在很多不足，蜈蚣草富集砷的過程中只有少數(shù)基因被鑒定到，并不能完全闡明其分子機制，解析蜈蚣草超富集砷的分子機制任重而道遠。針對目前對蜈蚣草分子機制研究的不足，對未來的研究趨勢提出了以下幾點展望：1) 蜈蚣草富集砷的4個環(huán)節(jié)中，砷的吸收、還原、區(qū)隔化3個環(huán)節(jié)中只有少數(shù)基因的功能被充分表征，砷積累的各個環(huán)節(jié)，尤其是運輸過程的功能基因還有待進一步探索。蜈蚣草超富集砷的分子調(diào)控機制也將是未來重要的研究方向。2)基因組序列信息的缺乏嚴重限制了對蜈蚣草中超富集砷的分子機制的研究。隨著測序技術的不斷發(fā)展，對蜈蚣草基因組進行測序可為蜈蚣草提供更多的遺傳信息，為超富集砷機制的研究提供重要的基礎。3) 遺傳轉化方法的缺乏嚴重限制了對蜈蚣草中超富集砷的分子機制的研究。建立起蜈蚣草的穩(wěn)定遺傳轉化體系，會極大地促進功能基因的發(fā)現(xiàn)和驗證，以及遺傳改良的進一步發(fā)展。

圖1 蜈蚣草超富集砷的過程及分子元件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of arsenic hyperaccumulation process and molecular components in P. vittata.