何玉君， 孫夢荷， 沈亞婷， 帥琴， 羅立強,*

(1.中國地質大學(武漢)材料與化學學院， 湖北 武漢 430074；2.國家地質實驗測試中心， 北京100037；3.中國地質調(diào)查局廣州海洋地質調(diào)查局， 廣東 廣州 510760；4.北礦檢測技術有限公司， 北京 102628)

在工業(yè)化進程中，大范圍的礦山開采和廣泛的礦物利用帶來了多種生態(tài)環(huán)境問題，重金屬污染的影響尤為嚴重。重金屬將破壞植物細胞活性，引起遺傳變異，影響能量代謝，降低光合作用速率，減緩植物生長。重金屬也會損傷人體組織器官，危害人類健康。例如，鉛會對人體神經(jīng)、心血管、肝臟、視覺等多個系統(tǒng)造成危害[1]；鎘會損傷腎臟，引起骨質疏松，或導致癌癥等[2]。因此，降低環(huán)境中重金屬的污染程度與影響，開展無污染綠色生物修復技術研究與應用，維護生態(tài)平衡，保障人類健康，是我們當前面臨的緊迫任務。

同時，隨著人類社會的發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求日益旺盛，但易勘查開采的礦產(chǎn)資源量已顯著減少。在2003—2013年十年間，新的金礦發(fā)現(xiàn)量下降了45%[3]。在世界范圍內(nèi)，各種天然礦化土地或礦山廢料中存在大量無法被工業(yè)利用的貴金屬。例如，濃縮銅尾礦樣品中的Au、Cu含量分別高達5.42g/t、0.408g/t[4]；在我國，含金難處理資源已占黃金保有資源的15%，低品位金礦約占已查明金礦資源的1/3左右[5]。如何利用生物技術從礦化土地、低品位礦石及尾礦中開采貴金屬，如何利用特異性、指示性植物尋找隱伏礦床，目前受到了國內(nèi)外的廣泛關注。

超富集植物能夠從大范圍土壤中吸收重金屬并將其儲存在體內(nèi)，體內(nèi)金屬濃度比普通植物高出100倍，對重金屬具有超富集能力和超耐受性[6-7]。利用超富集植物這一特性，一方面可從重金屬污染土壤中去除重金屬，實現(xiàn)植物修復[8]；從金屬含量低的尾礦中提取貴金屬，進行植物采礦[9]；另一方面，可指示礦區(qū)地球化學異常，用于植物找礦[10]。因此，對重金屬與超富集植物的相互作用過程進行深入研究，探索超富集植物對重金屬的超富集和超耐受機制，提高植物對重金屬的富集性、選擇性和指示性靈敏度，促進超富集植物的廣泛應用，實現(xiàn)綠色礦產(chǎn)勘查與重金屬污染修復，具有十分重要的科學意義。

本文首先概述了重金屬對植物的作用，并從重金屬溶解、超富集植物對重金屬的吸收-轉運-富集過程等方面，闡述了超富集植物對重金屬的富集機理，重點評述了超富集植物對重金屬的解毒、耐受機制，同時介紹了其應用前景，以期通過深入認識超富集植物體內(nèi)金屬穩(wěn)態(tài)維持機制，探尋提高植物富集能力的有效途徑。

1 營養(yǎng)元素和毒性元素對植物的作用

植物生長時會吸收無機營養(yǎng)元素，同時也會受到重金屬毒性作用的影響。Zn、Cu、Mn、Ni等微量元素是生命活動中必需的營養(yǎng)元素，但當其過量存在時，則會對植物產(chǎn)生毒害作用。而As、Pb、Cd和Hg等元素，沒有已知生物學功能，即使?jié)舛群艿鸵簿哂卸拘?，是毒性最強的重金屬[11-12]。

1.1 營養(yǎng)元素對植物的作用

Zn、Cu、Mn、Ni、Se、Co等微量元素是生命活動中必需的營養(yǎng)元素，在植物生長、發(fā)育、代謝中發(fā)揮了十分重要的作用。營養(yǎng)元素是多種酶和蛋白質的組分，參與植物中多種化合物的形成、氧化還原反應及各類基本代謝活動(表1)。例如，Cu2+和Cu+可與組氨酸、半胱氨酸或蛋氨酸結合，參與植物體內(nèi)生理活動，并可作為電子載體參與葉綠體、線粒體中的氧化還原和氧化應激反應[13]。

表1 植物中微量元素的作用與機制Table 1 Function and mechanism of micronutrients in plants

營養(yǎng)元素的缺乏會導致植物免疫力下降，引起多種疾病。例如，大部分植物適宜的Cu含量在5～20μg/g之間[14]。當植物中Cu濃度低于5μg/g時，將導致幼葉畸變或萎黃，葉片邊緣卷曲；使木質部等組織的細胞壁生成能力減弱，木質化作用減少，引起水分輸送不足；Cu缺乏還會破壞頂端分生組織，抑制胚芽的發(fā)育和種子的活力，并嚴重阻礙果實的形成[13]。

微量元素過量會干擾植物細胞內(nèi)代謝過程，引起細胞損傷。一方面，過量Cu會與S、N和O配體過度結合，抑制酶及功能性金屬蛋白活性，損害植物細胞[15]。另一方面，微量元素過量導致的氧化應激反應，是破壞植物細胞活性的主要原因。Cu作為一種氧化還原活性金屬，Cu2+可被還原為Cu+(式1)[16]。Cu+參與Fenton反應，形成高毒性活性氧(reactive oxygen species，ROS)，迅速引起膜脂質過氧化，導致氧化損傷(式2)[17-18]。當水稻根中Cu濃度達到38.56μg/g時，H2O2和丙二醛濃度分別上升50.11%、43.82%，水稻根生長減少17.7%[19]。

(1)

Cu++H2O2→Cu2++OH·+OH-

(2)

微量元素過量還會導致酶活性降低，光合作用能力退化，植物組織壞死。Zn、Mn等過渡金屬會與細胞中的酶和色素結合，抑制生化反應活性。過量Zn會替代光合作用中的重要二價金屬離子，如葉綠素(chlorophyll，Chl)中的Mg，相比于[Mg]-Chl的三重激發(fā)態(tài)，[Zn]-Chl具有較不穩(wěn)定的單重激發(fā)態(tài)。[Zn]-Chl的形成使得色素-蛋白復合物變性并引起光合系統(tǒng)退化，造成Zn中毒[20]。Mn作為葉綠體中磷酸化酶的重要組成成分，過量Mn會改變酶的活性，導致光合速率、CO2代謝速率和氣孔導度下降，同時使蒸騰速率和植物體內(nèi)CO2濃度增加，碳代謝和碳利用能力的下降，將使植物生物量降低[21]。過量Zn、Mn對葉綠體光合系統(tǒng)造成破壞，導致光合系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ持續(xù)吸收光能，產(chǎn)生的過量且未耗散的能量最終將致使活性氧增加，促進自由基鏈式反應，造成組織衰老和植物死亡[22]。

Se是目前廣為關注的微量元素，既可是營養(yǎng)元素，亦可為毒性元素。微量Se有益于植物生長，可增強白菜(Brassicachinensis)中多種抗氧化酶的活性，抑制過量Cd導致的H2O2和丙二醛(malondialdehyde，MDA)積累，增強植物抗氧化防御能力[23]。然而，由于Se理化性質與S相似，過量Se可與植物體內(nèi)S的活性位點競爭，形成硒代半胱氨酸，當植物中tRNAcys在轉錄過程中意外與硒代半胱氨酸而非半胱氨酸結合時，將會產(chǎn)生非特異性硒蛋白，導致中毒癥狀[24]。而且在過量Se作用下，細胞中維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的谷胱甘肽消耗加快，植物中活性氧積累增加，誘導產(chǎn)生氧化應激反應[24]。在2mg/kg硒酸鹽作用下，小麥(TriticumaestivumL.)葉片中的谷胱甘肽濃度下降1.02g/kg，H2O2濃度增加1140mmol/kg；此外，Se在葉綠體中還會通過S還原途徑進行代謝，使葉綠素含量和光合效率下降，從而導致小麥分蘗期葉片褪綠變白，分蘗數(shù)和穗數(shù)下降[25]。

此外，關于微量元素的毒性作用與機制目前還存在不同觀點，仍需進一步深入研究。例如，對于光合植物而言，是過量Cu抑制細胞活性而產(chǎn)生過量ROS，還是過量Cu導致細胞產(chǎn)生過量ROS而抑制其活性，抑或是二者同時作用，結論尚未可知[26-27]。

1.2 毒性元素對植物的作用

重金屬通常會對植物產(chǎn)生毒性作用。這種毒性作用主要是通過破壞植物體內(nèi)酶和蛋白質結構，替代必需金屬元素位點，誘導氧化應激反應等方式，干擾植物體內(nèi)呼吸作用、光合作用等代謝活動，對植物造成損害。As、Pb、Cd、Hg等重金屬沒有任何基本代謝功能，可與其他官能團結合，抑制蛋白質功能，破壞植物體內(nèi)葉綠素合成等多種生理生化過程，被認為是毒性最強的重金屬[11-12,31-32]。

(3)

Fe2++H2O2→Fe3++OH·+OH-

(4)

凈反應：

(5)

正常情況下，活性氧是植物細胞中葉綠體光合作用、線粒體呼吸作用等有氧活動的副產(chǎn)物，在細胞信號傳導過程中充當?shù)诙攀?，調(diào)節(jié)多種生理活動[34]。但是，過量活性氧會導致植物細胞內(nèi)蛋白質、脂類、碳水化合物非特異性氧化；可攻擊細胞膜脂質不飽和脂肪酸，引起細胞膜結構和功能改變，引發(fā)脂質過氧化鏈式反應；還可導致酶失活，造成基因毒性和DNA損傷等[35]。

砷酸鹽與磷酸鹽化學性質相似，可共用相同轉運體進行跨膜運輸進入植物根細胞[36]。As(Ⅴ)進入植物細胞后，在砷酸還原酶(arsenate reductase，ACR)ACR2作用下，將還原為As(Ⅲ)[37]。與As(Ⅴ)相比，As(Ⅲ)與植物螯合肽、谷胱甘肽中—SH基團親和性更高。As(Ⅲ)與—SH基團結合后，將間接滅活抗氧化酶分子，導致活性氧增加[38]。還原過程之后是無機砷的甲基化，甲基化產(chǎn)生的單甲基胂酸、二甲基胂酸、三甲基氧化砷、砷膽堿等甲基化砷，易與O2發(fā)生反應，產(chǎn)生甲基砷自由基以及活性氧[39]。甲基化砷還可從線粒體鐵蛋白中傳遞氧化還原活性鐵，這些活性鐵通過Haber-Weiss反應釋放OH·和有害氧[33,40]。因此，我們認為砷誘導的植物氧化應激反應可能機制是由砷的還原與甲基化過程及Haber-Weiss反應組成，如圖1所示。過量活性氧的產(chǎn)生將對植物造成不可逆破壞，在10μmol/L As(Ⅴ)的作用下，綠豆(PhaseolusaureusRoxb.)中MDA和H2O2濃度分別增加了2.4倍、2倍，導致細胞膜脂質過氧化程度增加，細胞膜受損[41]。

圖1 砷誘導氧化應激機制Fig.1 Mechanism of arsenic induced oxidative stress

2 重金屬超富集植物特性與富集機制

植物對重金屬元素的超富集是一種復雜而罕見的自然現(xiàn)象，是生物適應與進化的結果。這種環(huán)境適應性進化不僅使得植物對重金屬具有了選擇性，還使其產(chǎn)生了對重金屬的特異性超富集能力。超富集植物根系分泌物與微生物對重金屬的溶解和地上部富集，是其實現(xiàn)超富集過程的關鍵性作用機制。

2.1 超富集植物特性與選擇性進化機制

自然界富含重金屬的土壤中，會生長著一些特定植物，其體內(nèi)重金屬濃度甚至可比普通植物高出100倍，而植物并不顯現(xiàn)出明顯中毒特征。通常此類植物被稱為超富集植物[6-7]。人們也會針對元素特點，依據(jù)植物地上部的重金屬濃度來定義超富集植物。例如，當植物體內(nèi)Cd、As濃度>100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb濃度>1000mg/kg，Mn、Zn濃度>10000mg/kg，或Au濃度>1mg/kg時，則稱這些植物為相應重金屬的超富集植物[46-47]。

植物自身特性與來自周圍超高濃度重金屬環(huán)境壓力，會使得超富集植物逐步適應生存環(huán)境并成為當?shù)氐膬?yōu)勢物種。目前主要有三種觀點來解釋超富集植物的適應性進化過程與選擇性優(yōu)勢：① 金屬耐受/去除假說(metal tolerance/disposal hypothesis)。認為重金屬首先在超富集植物地上部積累，并通過落葉去除重金屬，降低植物體內(nèi)重金屬濃度，來實現(xiàn)耐受—去除—適應性生存這一進化過程[48]；② 干擾假說(interference hypothesis)。認為超富集植物會通過落葉增加其周圍表層土壤重金屬濃度來抑制附近植物的生長，促進其有效爭奪植物生長所需的空間和光照；③ 防御假說(elemental defense hypothesis)。也是目前最受支持的假說，認為植物中重金屬對食草動物和病原體侵害起到了防御作用[29]。例如，攝入過量Se將導致中毒，因此，硒超富集植物沙漠王羽(Stanleyapinnata)對Se的超富集使其免受了土撥鼠等草食動物的侵害，促進了該植物Se超富集特性的進化[49]。

Mx+代表金屬離子。

2.2 重金屬超富集植物富集過程

重金屬超富集植物的富集過程主要包含四個步驟。①土壤中重金屬元素的活化、溶解；②植物根對重金屬元素的吸收；③重金屬元素向植物地上部分轉運；④解毒、隔離。如圖2所示。

2.3 重金屬超富集植物富集機制

2.3.1根際土重金屬活化與溶解

超富集植物根系分泌物將使根際形成酸性環(huán)境，促進土壤中的重金屬溶解[50]。重金屬污染條件下，超富集型東南景天(Sedumalfredii)根系可分泌更多可溶性有機質，可達38.2%，遠高于非富集型(6.3%)，根際有機酸濃度變化趨勢與之一致，這使其根際土pH值比塊土低0.27，而非富集型東南景天根際土與塊土pH無顯著差異[51]。酸性條件下，重金屬生物有效性更高。當 pH<7.7時，游離Zn2+在溶液中占主導地位；當pH>7.7時，Zn的主要形態(tài)Zn(OH)+易于沉淀，不具生物有效性[52]。弱酸條件下，CuO納米顆粒與弱酸性土壤中的H+相互作用，溶解為Cu2+或Cu(OH)+釋放到土壤中(式6、式7)，為水稻所吸收[53]。

CuO(s)+2H+(aq) ? Cu2+(aq)+2H2O(l)

(6)

CuO(s)+H+(aq) ? Cu(OH)+(aq)

(7)

超富集植物特異性根系分泌物可通過與重金屬絡合形成可溶性復合物，促進重金屬在植物體內(nèi)的富集。在As的作用下，As超富集植物蜈蚣草(Pterisvittata)、井欄邊草(Pterismultifida)等蕨類植物的主要根系分泌物是植酸和草酸(>93%)，而在西紅柿根系分泌物未檢出植酸，表明植酸是蕨類植物特異性根系分泌物[54]。As脅迫會使蕨類植物中植酸分泌量增大，蜈蚣草植酸分泌量比非富集植物劍葉鳳尾蕨(Pterisensiformis)高262%，植酸含有6個磷酸根基團和12個可解離質子，與Fe有很強的配位能力，從而促進了根際FeAsO4的溶解，可有效增強蜈蚣草對Fe和As的吸收[54]。

超富集植物根際微生物與根系分泌物共同作用，可增強土壤中重金屬生物有效性。一方面，植物根系分泌的有機化合物、氨基酸、多糖可為微生物提供所需碳源、氮源，為微生物活動創(chuàng)造富營養(yǎng)環(huán)境，使根際微生物的活性提高10～100倍，改善重金屬所導致的土壤細菌群落多樣性減少現(xiàn)象[55-56]。另一方面，微生物代謝產(chǎn)生粘膠或小分子有機酸等分泌物，也可促進重金屬溶解[57-58]。Mn超富集植物伏毛蓼(Polygonumpubescens)中分離出的內(nèi)生菌JN6對Pb、Cd、Zn都有很強的耐受性，可使培養(yǎng)基pH值降低約1～2，有效溶解CdCO3、PbCO3和Zn3(PO4)2；同時，JN6分泌的吲哚乙酸、鐵載體、ACC脫氨酶以及可溶性磷酸鹽，還可促進植物營養(yǎng)物質吸收，有利于超富集植物的生長[59]。

2.3.2吸收與轉運

(1)共質體與異質體吸收

超富集植物吸收重金屬主要通過兩個途徑：共質體途徑和質外體(異質體)途徑。共質體途徑是指利用Ca、Fe等必需營養(yǎng)元素離子通道、轉運蛋白等方式進行跨膜運輸，而質外體途徑則是通過細胞壁、胞外間隙等橫向傳遞至木質部的過程。

在共質體途徑中，重金屬通常借用必需營養(yǎng)元素的傳輸系統(tǒng)穿過根部細胞膜進入細胞。離子通道選擇性較低，Cd2+、Mg2+和Zn2+等通過鈣離子通道穿過莧菜(AmaranthusmangostanusL.)根細胞而被吸收[60]。此外，Zn、Fe轉運蛋白(ZRT、IRT)對Cd有很強的親和力，參與Cd的轉運。當油菜(Brassicanapus)中IRT基因表達水平較高時，其根部Cd濃度更高[61]。

質外體途徑無需穿過質膜，允許有毒金屬元素通過。Cd2+可通過東南景天根尖和側根間隙進入植物根部，富集型東南景天木質部中高達37%的Cd2+來自質外體途徑[62]。但細胞壁間隙孔徑大小具有篩分性質，使細胞壁成為植物根部排阻屏障[63]。例如，3.5nm金納米顆粒(AuNPs)可通過根部質外體途徑進入煙草(Nicotianaxanthi)維管柱及細胞質，導致葉片壞死；但18nm AuNPs受到細胞壁排阻，僅在根部外表面團聚，無法進入煙草根內(nèi)[64]。

(2)木質部轉運

重金屬進入根部后，將通過木質部及韌皮部由根部向地上部分轉運。木質部轉運是超富集植物重金屬轉運的主要途徑，小分子有機酸、蛋白酶等是其主要影響因素。例如，在超富集植物多穗稗(Echinochloapolystachya)中，Cd主要通過木質部從根部向葉片轉運[65]。

木質部汁液中小分子有機酸和氨基酸有助于重金屬向上轉運，是重金屬超富集原因之一。超富集植物龍葵(SolanumnigrumL.)根部分泌的小分子有機酸總量顯著高于西紅柿(SolanumlycopersicumL.)，使Cd在龍葵中的轉運率(1.33～1.89)高于西紅柿(0.45～0.84)[66]。富集型東南景天木質部汁液中檸檬酸濃度比非富集型高6倍，Zn濃度高7～9倍；富集型東南景天木質部汁液中有機酸、檸檬酸約占36.7%～42.3%，55.9%以上的Zn以水溶態(tài)轉運[67]。組氨酸會參與Zn的吸收，同時還可顯著提高褐藍菜(Noccaeacaerulescens)木質部中Zn的負載量，有助于其徑向運輸，是褐藍菜中Zn超富集機制之一[68]。

重金屬ATP酶(HMA)和鋅鐵通透酶(ZIP)等是植物體內(nèi)Cd、Zn等重金屬的主要轉運蛋白。Cd和Zn從水稻根到地上部的轉運主要依賴于重金屬ATP酶OsHMA2[69]；Cd脅迫下，富集型東南景天中HMA4基因表達水平比非富集型東南景天中高2.7倍[70]。此外，通過克隆技術制備特殊轉運體，如煙草(Nicotianatabacum)中的NtZIP5A/B缺鋅誘導轉運體，可控制Zn和Cd在植物中的縱向分布以及金屬轉運率，實現(xiàn)Cd脅迫下Zn的向上轉運[71]。然而，酶蛋白也會限制金屬向上轉運。在水稻和擬南芥中，根系表達的HMA3將重金屬螯合在根部細胞中，以此限制Cd向植物地上部的轉運[72-73]。不同酶蛋白作用有所不同，通過調(diào)控轉運蛋白基因表達提高超富集植物重金屬轉運率，值得深入探索。

除木質部運輸以外，韌皮部也參與植物中重金屬的轉運。韌皮部中重金屬運輸過程與營養(yǎng)物質轉運有關，重金屬既可通過韌皮部向上轉運至種子、新葉中，也可向下轉運到根細胞中[74]。Ni、Zn同位素示蹤研究表明，褐藍菜韌皮部汁液中的蘋果酸會與Ni、Zn螯合，老葉中89%的61Ni會向上轉運至幼葉中，11%則向下轉運至根中[75]。超富集型東南景天老葉中68Zn再活化能力比非富集型高約7倍，并能將其優(yōu)先分配到新葉韌皮部周圍葉肉細胞中，以滿足新葉對高濃度礦物質元素的需求[67]。鑒于超富集植物中的重金屬元素主要富集在葉片中，對葉中重金屬元素再活化機制進行深入研究，將有助于提高超富集植物重金屬的轉運率。

2.3.3地上部儲存與富集

對于普通植物而言，重金屬主要在植物根部積累。例如，Au以納米顆粒形式沉積在大麥、西紅柿等植物根中，很少向上轉運，以免對植物地上部分生理過程造成破壞[76-77]。與普通植物相比，超富集植物中的重金屬木質部轉運和地上部分解毒能力更強，且主要富集在地上部分。

超富集植物根部栓質形成較弱，是重金屬在超富集植物地上部富集的主要原因之一。植物根部木栓質(suberin lamellae)是一種質外體屏障，可將中柱與外圍細胞分開，阻礙金屬離子通過質外體途徑向地上部轉運[62]。與非富集型東南景天相比，富集型東南景天根部栓質化基因表達下調(diào)，根尖和側根處栓質發(fā)育不良，有利于Cd2+質外體運輸；而非富集型東南景天側根中栓質發(fā)育充分，阻礙Cd2+質外體運輸[62]。在Cd脅迫下，富集型東南景天中脫落酸合成基因(SaABA2，SaNCED)不會上調(diào)，避免了脫落酸所引起的栓質形成和沉積，使Cd2+可以順利向上轉運[78]。

超富集植物根部細胞壁重金屬結合能力也是影響重金屬超富集的重要因素。Cd脅迫下，超富集型東南景天根部細胞壁多糖和果膠甲基酯酶濃度和活性均低于非富集型，且富集型根細胞壁中果膠甲基化程度高于非富集型，使超富集型東南景天根部細胞壁中Cd更易解吸并向上轉運[79]。

超富集植物主要通過地上部葉片液泡實現(xiàn)重金屬的富集和隔離。在非富集植物中，重金屬元素主要儲存在根表皮細胞、外皮和中柱[80-81]。而在超富集植物中，重金屬主要儲存在葉片的液泡中，并以此避免對細胞重要生理過程造成破壞[65,82]。富集型莧菜會分泌大量植物螯合肽和小分子有機酸，與Cd形成特定化合物并轉運到液泡中隔離，降低Cd毒性[80]。在超富集植物九重葛(BougainvilleaspectabilisWilld.)液泡中，Cd以檸檬酸鹽或Cd(H2PO4)2的形式存在，實現(xiàn)對Cd的隔離、富集和解毒[83]。超富集植物中重金屬主要富集、隔離在葉片液泡中，對液泡中重金屬的分子結構與解毒機制進行探索，對提高超富集植物重金屬富集能力具有重要意義。

3 重金屬超富集植物解毒與耐受機制

超富集植物之所以具有特異性富集能力，其主要原因就是它們具有獨特的解毒和耐受機制。重金屬既可與植物體內(nèi)小分子有機酸、植物細胞壁、植物螯合肽等結合，也可通過液泡隔離的方式，降低細胞質中游離金屬離子濃度來進行解毒。同時，超富集植物還可激活抗氧化酶抵抗重金屬毒性。

3.1 小分子有機酸絡合作用

小分子有機酸不僅可以通過絡合作用調(diào)節(jié)重金屬生物利用度，也可增強植物對重金屬耐受能力。一方面，植物釋放出的草酸和蘋果酸等小分子有機酸會隨Pb、Cd、Cu、Zn等重金屬濃度的增加而增加，在與重金屬形成穩(wěn)定絡合物的同時，還能改善土壤質量，使其能在高污染水平下順利生長[84-85]。檸檬酸有很強的配位能力，與Cd2+結合后使之不帶電荷，降低游離Cd2+濃度，有效減少植物吸收和由此造成的毒性傷害[83,86]。少量吸附在土壤固體表面的甘氨酸可與Pb、Cd絡合，增強對重金屬的吸附，從而降低其對植物的毒性[87]。另一方面，植物體內(nèi)有機酸也可增強植物抗氧化能力。超富集植物秋茄樹(Kandeliaobovata)會分泌酚酸，其羧基、羥基可與Cd、Zn離子結合形成絡合物，酚羥基能有效清除羥基自由基，以減輕金屬應力引起的氧化損傷[88]。

3.2 植物細胞壁結合

植物細胞壁可與重金屬結合，減少細胞質中重金屬濃度，增強植物抵御重金屬毒性能力。在超富集植物伴礦景天(Sedumplumbizincicola)中，Zn主要儲存在根皮層，毒性元素Cd則主要存在于質外體，尤其是在細胞壁中[82]。Pb、Cd主要以細胞壁結合態(tài)的形式儲存在荻(Triarrhenasacchariflora)中，以免破壞細胞質中重要代謝活動[89]。此外，Cd脅迫下，富集型東南景天中纖維素合成酶、糖苷水解酶，以及與木質素形成相關酶的基因表達都會有所上調(diào)，使Cd主要結合在植物細胞壁中，減少游離Cd濃度[70]。

重金屬在細胞壁中以穩(wěn)定性強、不溶性高的復合物形式存在，降低其毒性，是超富集植物實現(xiàn)重金屬耐受與解毒的分子機制。印度芥菜根細胞壁中，Zn主要與羧基結合，以Zn-聚半乳糖醛酸(C12H14O12Zn·4H2O)形式與細胞壁結合；形成難溶Zn-植酸、Zn-碳酸也是印度芥菜調(diào)節(jié)細胞毒性的主要形式[90]。在荻根中，Pb主要以不溶性磷酸結合態(tài)、草酸結合態(tài)存在；在玉米根中，Pb以難溶磷氯酸鉛、碳酸鉛的形式存在，降低了游離態(tài)金屬離子濃度，增強了毒性耐受能力[89,91]。

3.3 植物螯合肽螯合作用

天然配體植物螯合肽(Phytochelatins，PCs)、金屬硫蛋白(Metallothioneins，MTs)、谷胱甘肽(Glutathione，GSH)等可與重金屬形成硫醇鍵，在植物對重金屬的解毒、隔離中發(fā)揮了重要作用[92]。

在植物螯合肽合成酶的作用下，由GSH可產(chǎn)生PCs。與游離金屬離子相比，PCs-金屬復合物穩(wěn)定性高、毒性小；同時，在液泡膜轉運蛋白作用下，PCs-金屬復合物將轉移至液泡中，兩者共同作用降低了細胞質中游離重金屬離子的濃度[93]。隨Ni濃度升高，紫花苜蓿(Medicagosativa)中參與PCs合成的相關基因的表達將逐漸上調(diào)，隨后PCs與Ni結合形成PCs-Ni復合物，實現(xiàn)對重金屬的解毒[94]。

MTs是低分子量蛋白質且富含半胱氨酸，其中的硫分子對金屬離子具有很強的親和力，可通過硫分子或半胱氨酸中的硫醇基團與不同的金屬離子結合實現(xiàn)解毒[95]。GSH與MTs結構相似，在綠藻(Ulvacompressa)中，兩者以協(xié)調(diào)、互補的方式參與綠藻中銅積累和解毒[96]。此外，施加硫肥可顯著提高水稻根中GSH和PCs含量，以及植物螯合肽合成酶和液泡膜重金屬ATP酶的基因表達水平，使根部螯合與液泡隔離的Cd量增加，減少水稻籽粒中Cd的吸收和轉運[97]。如何通過基因調(diào)控，進一步提高植物對Cd等毒性元素的隔離能力，是下一步的發(fā)展方向。

3.4 植物液泡隔離

重金屬隔離在植物液泡中是植物維持體內(nèi)重金屬穩(wěn)態(tài)、減少其毒性作用的重要方式。液泡中的含硫肽和有機酸，可與重金屬離子螯合，并將其限制在有限位點，從而降低游離金屬離子的活性，避免其對代謝活躍細胞器造成毒害[98]。在超富集植物九重葛、多穗稗、伴礦景天、莧菜中，Cd主要儲存在葉片的液泡中，并以檸檬酸鹽的形式存在，減少Cd對植物的毒性作用，也防止其對光合作用產(chǎn)生不利的影響[65,80,82-83]。

PCs—植物螯合肽：MTs—金屬硫蛋白；Acids—小分子有機酸，Mx+—金屬離子。

在液泡膜HMA、ABC等多種重金屬轉運蛋白作用下，與植物螯合肽結合的重金屬會被泵入液泡中，實現(xiàn)對毒性元素的隔離，如圖3所示。轉運蛋白HMA3位于液泡膜，介導重金屬離子的液泡隔離[99]。SpHMA3是伴礦景天中Cd超耐受相關基因。Cd脅迫下，野生型伴礦景天并無明顯毒性癥狀，但經(jīng)RNA干擾后，會使SpHMA3基因表達減少約85%，從而導致SpHMA3-RNAi型伴礦景天幼莖生長遲緩，幼葉萎黃[100]。C型ABC轉運蛋白AtABCC1和AtABCC2是介導擬南芥As耐受性的主要植物螯合肽轉運蛋白[101]。在野生型擬南芥中，Cd主要儲存于液泡中，但在去除AtABCC1和AtABCC2兩個轉運蛋白的突變體擬南芥中，Cd則主要儲存于細胞質中，導致耐受性降低；而 AtABCC1的過表達，則可增強擬南芥對Cd(Ⅱ)耐受性和積累[102]。

金屬轉運蛋白具有物種特異性和器官特異性，對各液泡轉運蛋白分子結構和功能特性進行研究，利用轉基因技術調(diào)控轉運蛋白表達，設計出適合植物修復的特異性植物，對進一步提升植物重金屬超耐受性、超富集性具有重要意義。

3.5 抗氧化酶抗氧化作用

重金屬脅迫下，植物會激活多種抗氧化酶，提高植物體內(nèi)抗氧化酶水平，減輕活性氧過量所引起的細胞損壞。這些酶包括過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶，谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)等[12]。不同重金屬脅迫下，超富集植物抗氧化酶表達和活性差異很大，如表2所示。

表2 在不同培養(yǎng)條件下生長的不同植物中，重金屬激活抗氧化酶差異Table 2 Heavy metal-induced activation of antioxidant enzymes in different plant species grown in different condition

Pb脅迫下，金絲草(Pogonatherumcrinitum)葉中SOD、POD酶活性提高，可降低重金屬所引起的細胞膜損壞[85]。Ni作用下，紫花苜蓿中Prx1C基因表達上調(diào)，POD和谷胱甘肽硫轉移酶(glutathione-S-transferase，GST)活性大幅提升，減輕了Ni對植物細胞膜造成的破壞[94]。此外，低濃度Pb還會刺激長根菇(Oudemansiellaradicata)產(chǎn)生硫醇，參與非酶類抗氧化劑(非蛋白巰基、谷胱甘肽)的合成，并在2d/4d后激活抗氧化酶[103]。

細胞內(nèi)H2O2含量主要受POD和CAT調(diào)節(jié)。CAT通常存在于線粒體和過氧化物酶體中，通過CAT，H2O2將分解為H2O和O2；而POD則通過酚類化合物/抗氧化劑的氧化作用降解H2O2[105]。然而，過量重金屬誘導的氧化應激產(chǎn)生的H2O2可能抑制CAT、POD活性，此時，則需結合APX等其他抗氧化酶共同作用清除SOD產(chǎn)生的H2O2[106]。APX對H2O2親和力強于其他酶，可將H2O2分解為H2O和O2，在清除活性氧中起到了十分重要的作用[107]。

除抗氧化酶抗氧化作用外，某些重金屬對植物的氧化脅迫會存在協(xié)同拮抗作用。亞硒酸鹽會增強白菜中APX、GR、SOD、CAT、POD的活性，抑制H2O2和MDA的積累，增強其抗氧化防御能力，減少白菜中Cd富集以及Cd引起的氧化應激水平[23]。Cd脅迫下，低濃度Zn有助于恢復并增強西紅柿中抗氧化酶的活性，顯著降低植物氧化應激水平；而高濃度Zn、Cd共同作用時，氧化應激水平要高于過量Cd或Zn單獨作用時的水平[108]。

在重金屬脅迫下，超富集植物會激活多種防御策略抵抗重金屬元素生物毒性。但有些觀察還存在相悖的實驗報道和理論解釋，例如，小分子有機酸與重金屬絡合作用一方面可增強重金屬溶解性[54]，另一方面可提高重金屬穩(wěn)定性，降低其生物毒性[87]。而且，超富集植物超富集和超耐受性與植物螯合肽、抗氧化酶等多種蛋白質相關，如何準確理解超富集植物的隔離與耐受分子機制，是未來需要深入探索的研究方向。

4 超富集植物的作用與價值

由于對重金屬具有超富集能力及特定的選擇性和指示性，超富集植物已在植物修復、植物采礦和植物找礦中得到廣泛應用。截至2017年7月已有721種(Ni：523種，Cu：53種，Co：42種，Mn：42種，Zn：20種等)植物被判定為超富集植物[115]。表3列出了部分超富集植物及其富集能力。

表3 部分重金屬超富集植物及其富集能力和應用Table 3 Accumulation ability of several hyperaccumulators and their application

利用超富集植物對重金屬的超富集能力，不僅可以去除土壤中重金屬，實現(xiàn)土壤重金屬污染綠色可持續(xù)修復；還可通過植物提取，回收利用土壤中貴金屬，獲取經(jīng)濟效益；此外，利用某些植物對特定金屬元素的指示作用，還可應用于生物地球化學找礦[3]。

4.1 植物修復

植物修復是指利用超富集植物從土壤中提取重金屬并將其轉移到植物組織中，通過收獲和處理植物，去除土壤中重金屬污染的過程。農(nóng)田中超富集植物藿香薊(AgeratumconyzoidesL．)Cd富集系數(shù)可達6.93，種植三茬藿香薊Cd去除率約為13.2%～15.6%[121]。菊芋(Helianthustuberosus)地上部分中重金屬濃度分別為：Mn(1.14%)、Zn(6.1g/kg)、Ni(2.6g/kg)、Cd(0.56g/kg)，且Ni、Zn、Mn從根到地上部分的轉運率在11～15之間，可實現(xiàn)多種重金屬的超富集以及土壤修復[122]。金合歡樹(Acacia)能有效吸收尾礦土壤中的多種重金屬，并在尾礦上快速建立植被，避免污染物向周圍環(huán)境擴散，是修復多元素污染的重要候選植物[123]。

在植物修復中，植物從土壤中去除污染物的量與其組織濃度及生物量大小成正比[124]。通過傳統(tǒng)育種、基因工程等途徑，可有效克服自然界超富集植物生長緩慢、產(chǎn)量低的缺點，提高和改善超富集植物修復土壤重金屬污染能力[98]。傳統(tǒng)育種主要是利用物種內(nèi)部現(xiàn)有的遺傳多樣性來改進所需性狀。對13種藜屬植物(Chenopodiumspp.)進行3次連續(xù)隨機插條實驗后，株高、葉片大小、蛋白質和葉片產(chǎn)量都會增加，可有效提高植物生物量[125]。此外，利用基因工程可為植物修復創(chuàng)建理想植物，有效控制植物耐受、積累污染物的能力。利用汞離子還原酶基因merA或merB，通過核或葉綠體基因組修飾植物，在細胞質、內(nèi)質網(wǎng)中表達有機汞裂解酶或汞離子還原酶，所獲得的轉基因植物在被有機(約400μmol/L PMA)或無機(約500μmol/L氯化汞溶液)汞污染的土壤中生長極佳，其根中的Hg累積可達約2000μg/g[126]。

植物修復無需添加可引起二次污染的化學試劑，具備綠色可持續(xù)的特點，在農(nóng)業(yè)土壤和尾礦污染修復中具有良好應用前景，是當前和今后一段時期污染修復的發(fā)展方向。

4.2 植物采礦

植物采礦與傳統(tǒng)采礦相比，對環(huán)境影響較小，還可改善土壤質量，為從金屬含量低尾礦和礦化土地中開采貴金屬提供了一種新途徑。目前對于植物采Ni的研究較多。例如，在富Ni蛇紋石土壤中種植Odontarrhenachalcidica、小野芥菜，Ni產(chǎn)量分別可達55kg/公頃、36kg/公頃[116]。

與植物采Ni不同，由于已知Au、Ag等惰性貴金屬超富集植物較少，目前Au、Ag植物采礦通常在化學誘導劑輔助下進行。硫氰酸銨或硫代硫酸銨化學誘導劑可顯著提高歐洲油菜的根、莖、葉中Au、Ag、Cu濃度，使植物器官中Au、Ag、Cu濃度高于超富集標準，有效提高歐洲油菜植物采礦能力[127]。

植物采礦成本較低，可獲取一定經(jīng)濟效益，可行性高。利用超富集植物Berkheyacoddii從富Ni土壤中獲取Ni，預計可獲利約11500AU$公頃；印度芥菜植物采Au，預計可獲利約26000AU$/公頃[128]。

4.3 植物找礦

植物找礦是尋找隱伏礦床的潛在有效手段。環(huán)境中的地球化學異常會使植物生理和生態(tài)特征發(fā)生變化，逐漸成為當?shù)貎?yōu)勢物種。例如，海州香薷(ElscholtziahaichowensisSun)是銅礦區(qū)優(yōu)勢植物，對Cu具有較強富集和耐受能力，可作為銅礦指示植物[129]。Cu耐受型海州香薷由于長期受Cu脅迫，根中酸性轉化酶基因啟動子上的甲基化狀態(tài)可能已經(jīng)發(fā)生變異并可穩(wěn)定遺傳給后代。因此，在Cu脅迫下耐受型海州香薷根中酸性轉化酶活性及其基因轉錄水平明顯高于非耐受型，以抵抗Cu生物毒性[130]。

除指示作用外，通過植物中金屬含量，可獲得基質中金屬元素濃度的寶貴信息，以此識別礦物勘探潛在區(qū)域。Masjed-Daghi金-銅礦區(qū)的Stachysinflata對Cu、Hg生物吸收系數(shù)>1，達到超富集植物的標準；Au、Ag生物吸收系數(shù)分別為0.33、0.71，與土壤中金屬含量有一定相關性，可作為指示植物用于植物找礦[131]。

桉樹(Eucalyptus)是一種受到關注的特殊樹種。桉樹根系長達40m，可穿過風化層抵達富金區(qū)域，主動吸收土壤中的金，且金在桉樹葉中以粒子形式存在；Freddo礦區(qū)上方大型桉樹(高度>10m)葉、枝等部位Au濃度異常高，該結果為植物找金展示了良好前景[3]。此外，在澳大利亞Boddington金礦區(qū)，除桉樹外，山龍眼(Banksia)、大澤米(Macrozamia)等其他植物，也可指示Au元素地球化學異常，有助于發(fā)現(xiàn)深埋地層礦藏[10]。

目前，利用特異性植物尋找專屬隱伏礦床的研究，仍是國際上正待發(fā)展和探索的前沿領域。生物找礦的指示性、特異性和指示靈敏度，是植物找礦研究中面臨的主要挑戰(zhàn)。

5 結論與展望

超富集植物對重金屬具有超富集、超耐受能力，是降低環(huán)境重金屬污染、保障人類健康，實現(xiàn)綠色礦產(chǎn)勘查、利用的有效途徑，在植物修復、植物采礦和植物找礦中已獲得了廣泛應用。國內(nèi)外研究表明，土壤重金屬在超富集植物根系分泌物與根際微生物作用下溶解，經(jīng)共質體和質外體途徑吸收并由木質部轉運至地上部后，會被植物體內(nèi)小分子有機酸、細胞壁和植物螯合肽結合，或隔離在液泡中，以此降低細胞質中游離金屬離子濃度，增強植物耐受性。受重金屬脅迫的超富集植物，還會激活多種特異性抗氧化酶抵御氧化應激反應，從而實現(xiàn)對重金屬的解毒、耐受與富集。此外，本文分析認為，砷誘導的植物氧化應激反應機制可能由砷的還原與甲基化過程及Haber-Weiss反應三部分構成。

從當前的研究進展來看，超富集植物目前所具有的選擇性、指示性和耐受性還不理想，富集能力不足；其超富集、超耐受所涉及的小分子有機酸、蛋白質、酶等的結構與作用過程復雜，作用過程與反應機制還需深入探索。深刻認識有機酸改變重金屬吸收、轉運能力的作用過程與機理；從基因組學和代謝組學的角度，探索植物富集及耐受相關基因，揭示影響超富集植物特性的關鍵因素和作用規(guī)律，利用基因編輯等技術設計并開發(fā)選擇性和指示性高、富集能力強的理想超富集植物，將可推動超富集植物在生物修復和資源勘察利用中的應用與發(fā)展，為保護人類健康、保障資源供給提供有力支持。