王 珅 馬 旭 陳易開 孫津歌 任秋婷 楊 琳

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387）

近年來，重金屬污染問題引起人們廣泛關(guān)注，據(jù)報道國內(nèi)受重金屬污染的耕地面積已達2 000 萬hm2。重金屬是密度大于4.5 g/cm3的金屬元素，具有易在生物體內(nèi)富集、毒性大、難以降解等特點，給人類及其他動物生存和植物生長帶來巨大危害[1]。

鎘（Cd）是毒性最強、分布最廣的重金屬污染物，是動、植物生長發(fā)育過程中的非必需元素，對人類和其他生物均有毒害作用，對土壤環(huán)境也具有極大的危害，使土壤質(zhì)量降低[2]。成年人每天攝入約30～50 μg 鎘會增加骨折、癌癥、腎功能不全和高血壓的風(fēng)險[3]。鎘會影響植物的生長發(fā)育，包括葉綠素含量的減少、活性氧的過量生產(chǎn)及脂質(zhì)過氧化和丙二醛濃度的增加[4]。

氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是石墨烯的氧化物，屬于石墨烯的衍生物，其表面含有羥基與環(huán)氧基等含氧官能團。Zhao 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，GO的中間層帶負電，易于吸附帶正電的金屬離子，為陽離子提供了大量的交換位點（圖1）。Zhao等[6]利用GO 作為吸附劑去除水中鎘（Ⅱ）離子，該研究發(fā)現(xiàn)在pH=6.0、絕對溫度303 K 的條件下，GO 對鎘（Ⅱ）的最大吸附量為106 mg/g。

圖1 氧化石墨烯與金屬離子結(jié)合的4 種機制[5]

植物修復(fù)重金屬具有不會造成二次污染、環(huán)境友好和廉價的特點，但鎘富集效率有待提高。本文討論了鎘與GO 單獨或共同處理對植物生長及轉(zhuǎn)錄組的影響，總結(jié)了GO 影響植物鎘吸收的研究進展。

1 鎘對植物生長的影響

鎘是一種重金屬污染物，據(jù)報道，我國有數(shù)以萬傾的土壤存在鎘污染，其中鎘含量超標(biāo)的農(nóng)作物年產(chǎn)量也在逐漸上升[7]。盡管極低濃度鎘能促進某些植物生長，但在高濃度鎘處理下植物生長會受抑制。王利芬等[8]研究表明，隨著鎘濃度的升高，金盞菊（Calendula officinalis）和萬壽菊（Tageteserecta）2 種植物莖伸長生長量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在1 mg/L 的鎘處理下達到最大值。張守文等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，當(dāng)鎘添加量在0～5 mg/kg 時，油菜地上部分干重增加，而當(dāng)鎘添加量大于20 mg/kg 時，油菜地上部分干重降低。汝佳鑫[2]研究發(fā)現(xiàn)，隨鎘濃度的不斷升高，長白落葉松（Larix olgensis）的幼苗根、莖、葉干重呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，說明低濃度鎘處理可促進部分植物生長。高濃度鎘處理，可引起植物根、莖、葉損傷。二價鎘離子（Cd2+）被植物根系吸收后，通過破壞線粒體而造成植物細胞呼吸作用降低，最終誘導(dǎo)細胞走向死亡。此外，Cd2+還可通過破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，進而對光合作用等生理活動產(chǎn)生影響[10]。Lin 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，植物在鎘脅迫下響應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，可通過3 種方式影響ROS（活性氧）的積累：1）過量的Cd2+誘導(dǎo)miR398 表達，抑制Cu、Zn、SOD（CSD）的功能，從而誘導(dǎo)ROS積累；2）過量的Cd2+會抑制細胞內(nèi)第二信使Ca2+的調(diào)控作用，并通過抑制CSD 活性以刺激ROS 的積累；3）過量的Cd2+會增強NADPH 氧化酶，從而導(dǎo)致額外的H2O2產(chǎn)生（圖2）。在對金屬敏感的植物中，Cd-ROS-MAPK 信號通過不同的過程引起損害：1）激素信號通路的中斷；2）抑制光合作用；3）破壞生物大分子；4）誘導(dǎo)細胞衰老；5）誘導(dǎo)程序性細胞死亡[12]。

圖2 鎘脅迫下植物細胞內(nèi)ROS 積累途徑示意圖[11]

2 不同濃度氧化石墨烯對植物生長的雙重作用

殷玲玉[13]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)GO 處理的玉米幼苗的根、地上部分苗鮮重相較于對照組均減少，用500 mg/L GO 處理達到最小值。洪瑩等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在盆栽實驗中當(dāng)GO 濃度高于30 mg/g 時，多年生黑麥草的株高與生物量受到顯著抑制，且抑制作用隨GO 濃度的升高而不斷增強。GO 對植物的抑制作用可能主要是通過與植物細胞上的氨基相互作用，使GO 被吸附或包裹在細胞周圍，從而抑制植物生長[15-16]。Zhang 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO與細胞相互作用時，ROS 的產(chǎn)生也有所增加。有研究顯示，外源性污染物可通過產(chǎn)生ROS 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，過量的ROS 會導(dǎo)致脂質(zhì)、碳水化合物、蛋白質(zhì)和DNA 損傷，導(dǎo)致細胞死亡[18]。然而，當(dāng)GO濃度降低時會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生完全不同的效果。Zhang 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，用40 mg/L GO 處理，煙草種子萌發(fā)階段吸水速率上升，萌發(fā)速度加快；幼苗階段用GO 處理可促進根和莖的伸長生長。He 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，用50 mg/L GO 處理，可促進菠菜和細香蔥2 種植物種子萌發(fā)。目前，GO促進植物生長的機制主要有2 個方面的報道：1）GO 的含氧基團可吸附水分，而疏水結(jié)構(gòu)域SP2可傳導(dǎo)水分[21]。GO 具有的親水和傳導(dǎo)水分的特性，可促進植物吸收水分，從而促進植物生長[22]（圖3）。2）用GO 處理可減少土壤養(yǎng)分的淋溶損傷，從而提高土壤肥力[23]。因此，高濃度GO 處理可能會抑制植物生長，而低濃度GO 處理可促進植物生長[22,24]。

圖3 GO 促進植物根吸水示意圖

3 氧化石墨烯與鎘共存對植物轉(zhuǎn)錄組的調(diào)節(jié)

有報道顯示，浮萍不僅能有效降解廢水中的有毒、有害物質(zhì)，而且能凈化廢水[25]。Yang 等[26]研究表明，用100 mg/L GO 與50 μmol/L CdCl2共同處理，浮萍（Lemna turionifera）5511 根部鎘離子熒光強度達到最大值（圖4），且當(dāng)GO 濃度為100～300 mg/L時，生長效果優(yōu)于鎘單獨處理組，表明低濃度的GO 對鎘脅迫下浮萍的生長起保護作用（圖5）。隨GO 濃度增加，熒光強度有所下降，但仍顯著高于鎘單獨處理。通過鎘離子流測定發(fā)現(xiàn)，在加入GO 后，鎘離子內(nèi)流速度相較于鎘單獨處理顯著提高。以上結(jié)果表明，GO 的存在刺激浮萍根系對鎘離子的吸收，但隨GO 濃度的不斷提高，該功能逐漸降低。

圖4 不同濃度GO 處理下浮萍根部鎘離子熒光情況[26]

圖5 不同濃度GO（mg/L）與50 μmol/L CdCl2共同處理2 d 和10 d 浮萍的表型[26]

在GO 與鎘共存的條件下，對植物轉(zhuǎn)錄組和表達組變化的研究也日益增多。Yang 等[26]研究表明，通過對比GO 與鎘共存及鎘單獨處理的浮萍，共發(fā)現(xiàn)7 701 個差異表達基因，其中3 230 個基因下調(diào)，4 471 個基因上調(diào)。在通路富集分析中，浮萍吞噬體相關(guān)基因在GO 與鎘共存條件下相對于鎘單獨處理中有顯著的下調(diào)。同時，STX7 和RAB7 的表達量均被下調(diào)。其中RAB7 是一個分子開關(guān)，它將吞噬體與微管運動相聯(lián)系。在微管中很重要的Tubastatin B（TUBB）也被下調(diào)，鈣內(nèi)蛋白/CALR 系統(tǒng)（在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上）的基因受到調(diào)節(jié)，該基因促進了早期吞噬體膜上NADPH 氧化酶的活性，這意味著能量供應(yīng)的減少。張曉等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在含有GO 的營養(yǎng)液中培養(yǎng)玉米（Zea maysL.），對根系差異基因進行Gene Ontology 分析，相較于野生型玉米根系，轉(zhuǎn)錄組上調(diào)表達基因和下調(diào)表達基因主要集中在對鹽脅迫、鎘脅迫、刺激脅迫和含氧化合物的響應(yīng)等方面。通過對差異表達基因進行顯著性富集KEGG 通路分析，GO 與鎘共存條件下，上調(diào)基因主要富集在糖異生/酵解、檸檬酸循環(huán)、丙酮酸代謝、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和碳代謝等通路，下調(diào)基因主要富集在硫胺素代謝和植物-病原互作等通路，與Yang 等[26]的研究結(jié)果一致。對差異表達基因進一步分析后發(fā)現(xiàn)，GO 處理后導(dǎo)致44 個轉(zhuǎn)錄因子表達發(fā)生顯著變化，其中，GO 影響了大量的激素調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的表達，主要包括生長素、赤霉素（GA）、茉莉酸（JA）、脫落酸（ABA）和乙烯等相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子。GO使6 個與乙烯相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子下調(diào)，說明GO 可能通過抑制根系的乙烯信號通路從而促進根系生長。綜上表明，GO 可能加強植物對鎘的吸收和積累，同時促進植物的生長。

4 展望

隨著GO 影響植物吸收鎘的深入研究，GO 與鎘共存對植物轉(zhuǎn)錄組和表達組的研究意義也日益突出。通過比較不同處理條件下植物差異表達基因，對差異表達基因進行Gene Ontology 和顯著性富集KEGG 通路分析等，特別是采用轉(zhuǎn)基因和基因沉默等方式驗證差異表達基因?qū)χ参锷L代謝的影響，改善植物耐鎘能力，將為解決環(huán)境重金屬污染和提高植物耐鎘能力的研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。