喬新燕 吳仁杰 曹少飛 李建國 原 寒

（中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

鈾是一種密度和硬度較大的銀白色金屬，作為一種自然發(fā)生的元素，原始的鈾有234U（0.006%）、235U（0.711%）和238U（99.283%）三種同位素。鈾主要通過人類活動進(jìn)入土壤。隨著核能事業(yè)的發(fā)展，鈾礦的開采以及核燃料的制備、循環(huán)、后處理等導(dǎo)致鈾尾礦周圍的土壤鈾污染嚴(yán)重［1-2］。研究表明，鈾主要通過食物鏈進(jìn)入人體，影響人體的新陳代謝，危害人體健康，造成腎衰竭、神經(jīng)衰弱癥、不孕不育甚至人體智力缺陷等毒害癥狀［3-6］。近年來，各種鈾污染土壤修復(fù)方法得到大力發(fā)展，主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)?？屯练?、電動修復(fù)法等物理修復(fù)方法的經(jīng)濟(jì)成本較高，且會改變當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境［7］；化學(xué)修復(fù)法包括土壤沖洗和固化修復(fù)，不僅會對土壤生物活性、肥力、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害作用，而且有可能會造成二次污染［8］；生物修復(fù)尤其是植物修復(fù)，因其原位修復(fù)、易于操作、成本低廉、對環(huán)境友好等特點(diǎn)而成為一種理想的鈾污染土壤修復(fù)方法［9-10］。植物修復(fù)是將類似于印度芥菜（Brassica juncea）［11-12］和向日葵（Helianthus annuusL.）［13］等超富集植物種植在鈾污染區(qū)域，利用根系對鈾吸收并將其積累在根部或轉(zhuǎn)移到地上部分，通過超富集植物的重復(fù)種植和收割進(jìn)而降低土壤中的鈾含量。但鈾作為一種非必需元素，通常在地質(zhì)樣品中只有Ⅳ和Ⅵ兩種價態(tài)，且鈾的生物活性也受各種環(huán)境因素的影響，易附著、累積在植物體內(nèi)，當(dāng)鈾濃度超過一定閾值，會使植物根系發(fā)黑甚至壞死，進(jìn)而抑制植物莖、葉乃至整株生長發(fā)育［3，14-19］。本研究總結(jié)了近年來關(guān)于鈾對植物脅迫效應(yīng)的研究成果，旨在為研究鈾從土壤到植物、以及鈾在植物中的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制提供參考，進(jìn)而為中輕度鈾污染土壤的植物修復(fù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 鈾對植物生長發(fā)育的影響

鈾是一種有毒害效應(yīng)的重金屬元素，其對植物的脅迫效應(yīng)因植物生長發(fā)育階段而異，主要體現(xiàn)在種子萌發(fā)（表1）和營養(yǎng)生長階段。

1.1 種子萌發(fā)階段

鈾對種子萌發(fā)的毒害是一種生理學(xué)效應(yīng)。在植物生長周期中，種子萌發(fā)階段是植物生長周期的起點(diǎn)和感知外界環(huán)境變化的最初階段，也是評價植物鈾耐受性的重要階段。在玉米（Zea maysL.）種子萌發(fā)的早期（2～4 d），用濃度為1 mmol·L-1的鈾溶液處理玉米種子，其萌發(fā)率會顯著降低［20］。郝希超等［21］對24 種牧草進(jìn)行鈾脅迫下的種子萌發(fā)分析，發(fā)現(xiàn)種子的萌發(fā)率受鈾濃度影響，有7 種牧草種子在鈾脅迫下具有較好的發(fā)芽能力，鈾濃度小于50 mg·L-1時，對種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，而當(dāng)鈾濃度大于100 mg·L-1時，則對牧草種子的萌發(fā)具有明顯的抑制作用。類似的結(jié)果在其他研究中也被證實(shí)，如將Cleome amblyocarpaBarr.& Murb 種子在7 種不同濃度（0、50、100、150、200、250、300 mg·L-1）的UO2（NO3）2·6H2O 溶液中處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有濃度組種子萌發(fā)率都超過40%，在低濃度（鈾溶液濃度為100、150、200 mg·L-1）時，種子的萌發(fā)率隨濃度的增長而逐漸增加，分別為59%、62%、72%；但高濃度（鈾溶液濃度為250、300 mg·L-1）條件下，種子萌發(fā)率比200 mg·L-1溶液中要低，且萌發(fā)率隨著濃度的增加呈下降趨勢，分別為66%和62%［22］（表1）。對于此現(xiàn)象，目前有兩種解釋：一是低水平的鈾會刺激某些酶來提高種子的萌發(fā)率，并導(dǎo)致種子快速萌芽［20］；二是低水平的鈾會降低植物種子的蒸騰速率，進(jìn)而提高種子對水分的利用效率，因此提高了種子的萌發(fā)速率［18］。

表1 鈾對植物種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of U on seed germination of plants

1.2 營養(yǎng)生長

由于鈾總是會優(yōu)先積累在植物的根部，所以最先受到鈾影響的是植物根部。植物根的生長受到鈾的毒害已經(jīng)在不同的植物中被觀察到。據(jù)報道，蠶豆（Vicia fabaL.）幼苗在不同濃度（0、5、10、15、20、25 μmol·L-1）鈾溶液中處理72 h，與對照相比，高濃度鈾溶液中植株根部會有發(fā)黑的跡象，能量色散光譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）分析結(jié)果表明當(dāng)鈾濃度超過10μmol·L-1時，鈾在蠶豆的根部細(xì)胞中就會有積累；X 射線熒光光譜分析（X-ray fluorescence，XRF）結(jié)果表明鈾溶液濃度為5～25 μmol·L-1時，鈾在根部的積累量隨鈾濃度的增加而增加，由225.5 mg·kg-1增加到了6 250.94 mg·kg-1［23］。同時，還有研究發(fā)現(xiàn)番茄（Lycopersicon esculentumMiller）幼苗在鈾脅迫條件下，根細(xì)胞的形狀、大小異常，細(xì)胞核、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，根細(xì)胞邊緣的形成層受到破壞［24］。表明鈾的主要蓄積器官是根系，鈾過量蓄積明顯損傷了根的微觀結(jié)構(gòu)，減少了根部生物量，進(jìn)而影響了植株整體的生長發(fā)育。

鈾對植物地上部分的影響因植物種類而異，前人通過添加不同濃度二水合醋酸鈾酰來模擬不同程度（0、20、50、100 和150 mg·kg-1）鈾污染土壤，結(jié)果表明黑麥草（Lolium perenneL.）植株干重和株高均隨鈾濃度的增加而減少［25］。郝希超等［21］采用盆栽培養(yǎng)方式，設(shè)置鈾處理濃度分別為0（CK）、20、50、100、150 mg·kg-1，將5 種牧草種子直接播種，生長60 d 后進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)高濃度下牧草生長受到明顯抑制，在試驗(yàn)鈾濃度范圍內(nèi)，果樹草（Dactylis glomerataL.）的單盆干重隨鈾濃度升高呈先上升后下降的趨勢，在鈾濃度為20 mg·kg-1時達(dá)到最大，當(dāng)鈾濃度高于100 mg·kg-1時，果樹草單株干重較對照減少56.03%，株高降低54.51%。上述指標(biāo)的下降是由于鈾減少了地上部分細(xì)胞的分裂，抑制了植株的光合作用。也有研究證明鈾對植物地上部分生長的影響主要是由于鈾抑制了根的生長和發(fā)育，導(dǎo)致經(jīng)過根運(yùn)輸?shù)乃趾偷V物質(zhì)減少［3，26］，另一個原因是鈾會稍微縮短細(xì)胞的生長周期，影響必需元素的穩(wěn)態(tài)［27］。

2 鈾對植物生理生化特性的影響

2.1 呼吸作用

最新的研究表明，鈾能顯著抑制哺乳動物線粒體呼吸電子傳遞鏈上的兩種關(guān)鍵酶：細(xì)胞色素c 氧化酶（復(fù)合體IV）和ATP 合酶（復(fù)合體V），進(jìn)而影響其呼吸代謝［28］。Zhang 等［23］將蠶豆幼苗在15、20、25μmol·L-1UO2（NO3）2·6H2O（238U）溶液中處理72 h 研究鈾與植物呼吸作用之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蠶豆根部呼吸速率隨著鈾濃度的增加而逐漸降低，與對照相比，鈾濃度為15 μmol·L-1時，呼吸速率降低了12.97%，鈾濃度為25μmol·L-1，呼吸速率降低了28.57%。作者進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄組和代謝組結(jié)果給出如下解釋：（1）在代謝水平上，鈾導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量代謝途徑中相關(guān)代謝物表達(dá)不平衡；（2）在轉(zhuǎn)錄水平上，鈾脅迫明顯抑制了糖酵解、三羧酸循環(huán)途徑中相關(guān)基因的表達(dá)，尤其是氧化磷酸化途徑，鈾脅迫顯著抑制了線粒體電子傳遞鏈中細(xì)胞色素c、解偶聯(lián)蛋白和F1-ATP 酶基因的表達(dá)，進(jìn)而使根的呼吸速率下降［23］。紫薯和普通甘薯根系轉(zhuǎn)錄組結(jié)果顯示，與對照組相比，在鈾處理組（25μmol·L-1）普通甘薯糖酵解-三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）途徑和線粒體電子傳輸鏈途徑中鑒定出26 個差異表達(dá)基因，其中6 個上調(diào)基因，20 個下調(diào)基因；在紫薯糖酵解-TCA途徑和線粒體電子傳遞鏈途徑中共鑒定出36個（11個上調(diào)和25 個下調(diào)）差異表達(dá)基因，說明鈾暴露明顯干擾了細(xì)胞的糖酵解和TCA 途徑，導(dǎo)致甘薯能量代謝障礙［16］。但劉澤偉等［29］的研究結(jié)果與之相反，他們將蠶豆幼苗根系在濃度為25 μmol·L-1的鈾溶液中處理，與對照組（U-0μmol·L-1）的蠶豆幼苗根系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析對比，發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸代謝途徑相關(guān)基因表達(dá)量明顯增加，共檢測到差異表達(dá)基因27 個，包括23 個顯著上調(diào)基因和4 個顯著下調(diào)基因，如ATP synthesis.alternative oxidase gene、ATP synthesis.NADH-DH.complex Ⅰ和ATP synthesis.NADH-DH.typeⅡ.internal matrix gene 的表達(dá)量分別增加了3.97、3.35 和3.33 倍。這是由于高濃度的鈾脅迫抑制了蠶豆幼苗的光合作用，但增強(qiáng)了其根系的呼吸代謝，劉澤偉等［29］認(rèn)為這可能是蠶豆對鈾毒害的一種適應(yīng)機(jī)制。因此鈾與植物呼吸作用之間的關(guān)系有待繼續(xù)深入探究。

2.2 光合作用

非生物脅迫，特別是重金屬脅迫，會影響植物光合作用，導(dǎo)致光合速率下降，植株發(fā)育滯緩，甚至在一些情況下會使植物死亡［15，30-31］。大量研究表明，鈾會使多種植物，如睡蓮（Nymphaea tetragonaGeorgi）［32］、鬼針草（Bidens pilosaL.）［33］和豌豆（Pisum sativumL.）［34］等的光合色素（葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素等）含量下降。另外，鈾（U）誘導(dǎo)的活性氧（reactive oxygen species，ROS）過量產(chǎn)生，會使膜脂過氧化，葉綠體結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，導(dǎo)致葉片葉綠素含量下降，并且過量ROS 也會抑制參與光呼吸途徑基因的表達(dá)［34］。與不加鈾的對照相比，高濃度鈾污染土壤也會使高梁［Sorghum bicolor（L.）Moench］、藜（Chenopodium albumL.）等植株的葉綠素含量降低［35］。色素作為類囊體膜上色素蛋白復(fù)合體的組成成分，其含量的降低通常伴隨著水和光氧化過程受阻，以及光合膜蛋白的組分發(fā)生改變，因此鈾處理會導(dǎo)致植物光系統(tǒng)的捕光能力下降，進(jìn)而使光合能力降低［23，34，36］。Imran等［33］研究發(fā)現(xiàn)，鬼針草光系統(tǒng)Ⅱ（photosystem Ⅱcomplex，PSⅡ）最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（maximum photochemical efficiency，F(xiàn)v/Fm）隨鈾脅迫濃度的增加而降低。鄧章軒等［37］以三種苔蘚植物為材料，設(shè)置了0、2.5、5、10、20 mg·L-1五種鈾處理濃度，培養(yǎng)72 h，發(fā)現(xiàn)對鈾敏感的大羽蘚［Thuidium cymbifolium（Dozy et Molk.）Dozy et Molk.］中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量、光系統(tǒng)Ⅱ的有效量子產(chǎn)量［effective quantum yield of PS Ⅱphotochemistry Yield，Y（Ⅱ）］、光化學(xué)淬滅系數(shù)（photochemical quenching，qP）和非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)（nonphotochemical quenching，qN）均隨鈾脅迫濃度的增加而顯著降低，在20 mg·L-1達(dá)到最低，但Fv/Fm無顯著變化。趙繼武等［38］研究表明鈾脅迫會使黑麥草光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著降低。Zhang 等［23］研究也表明蠶豆植株在0～25μmol·L-1U（VI）溶液中處理以后，植株的光合作用參數(shù)（凈光合速率和氣孔導(dǎo)度）明顯降低（表2），這些光合參數(shù)的降低是由于鈾破壞了植物的光合碳代謝途徑，原因可能是鈾抑制了類囊體膜上參與水的光解、電子傳遞鏈和ATP 合成相關(guān)基因表達(dá)，同時許多參與卡爾文循環(huán)的基因表達(dá)在鈾脅迫條件下也明顯下調(diào)，導(dǎo)致ATP 的合成受阻，電子傳遞鏈堵塞，卡爾文循環(huán)停滯［23-24］。

表2 鈾對植物光合作用的毒害效應(yīng)Table 2 Toxic effects of U on photosynthesis in plants

2.3 氧化損傷

在鈾脅迫下，植物細(xì)胞中的ROS 主要包括超氧陰離子（O2·-）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（·OH）等［39-41］。這些ROS 主要存在于各種大量的細(xì)胞器中，如葉綠體、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)［42］。ROS的過量積累是由其產(chǎn)生和清除的不平衡造成的，過度積累ROS 會攻擊脂肪酸鏈的氫原子［30］，導(dǎo)致產(chǎn)生醛類物質(zhì)和膜脂自由基［43］。有研究表明，ROS 作為信號分子也參與植物對環(huán)境脅迫的響應(yīng)，與其他重金屬相同，U 通過與植物細(xì)胞中的生物大分子相互作用產(chǎn)生ROS，擾亂細(xì)胞正常的生理代謝［32，44］。通過二甲基聯(lián)苯胺（diaminobenzidine，DAB）、氮藍(lán)四唑（nitro-blue tetrazolium，NBT）染色的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈾處理后，蠶豆植株第二片真葉的顏色隨著鈾濃度的增加逐漸加深，說明鈾明顯誘導(dǎo)植物葉片中H2O2和O2·-積累，使正常生理代謝紊亂［19］。

楊昊等［45］通過水培試驗(yàn)研究了伊樂藻（Elodea canadensisMichx.）在不同初始鈾濃度脅迫下鈾的富集特征及鈾對抗氧化酶活性的影響，結(jié)果表明，隨著初始鈾濃度的上升，伊樂藻對鈾的富集量上升，當(dāng)水體中初始鈾濃度為30 mg·L-1時，鈾的富集量達(dá)到最大，為14 mg·kg-1（干重），對抗氧化酶活性的影響最為明顯，其中超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性較對照組下降86.3%，過氧化物酶（peroxidase，POD）活性較對照組上升202.4%，過氧化氫酶（catalase，CAT）活性較對照組上升291.6%。賈文甫等［46］通過盆栽控制性試驗(yàn)，研究了土壤不同濃度（0、25、50、100、200、400 mg·kg-1）鈾脅迫對反枝莧（Amaranthus retroflexusL.）生理生化指標(biāo)的影響，結(jié)果顯示中低濃度鈾脅迫下，SOD、POD 和CAT 被激活，保持高活性水平，有效抵御了鈾毒害，高濃度鈾脅迫下，三種酶活性均降低，SOD活性低于對照，ROS量超過了酶系統(tǒng)的清除能力，致使膜系統(tǒng)遭到破壞，而細(xì)胞質(zhì)膜的損壞使細(xì)胞中能夠積累更多量的鈾，對植物造成損傷。李宇林等［47］分別設(shè)置5、30、55 mg·L-1鈾溶液處理澤瀉（Alisma plantagoaquaticaL.）和魚腥草（Houttuynia cordataThunb.）兩種濕生植物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)澤瀉和魚腥草的抗氧化酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在鈾濃度為30 mg·L-1時，兩種植物的POD、SOD、CAT 活性均達(dá)到最大值，分別比對照上升11.79%、114.69%、69.64%和6.03%、19.91%、10.71%。上述結(jié)果表明，在鈾濃度為5、30 mg·L-1時，植株抗氧化酶系統(tǒng)可以清除多余的自由基和過氧化物，而鈾濃度達(dá)到55 mg·L-1時，植物體產(chǎn)生的抗氧化酶無法清除所產(chǎn)生的大量自由基和過氧化物，從而使抗氧化酶活性降低。

膜脂過氧化是評估金屬對植物氧化損傷的標(biāo)志，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的高低可以反映植物膜脂過氧化程度和遭受逆境傷害的程度以及植物的抗逆性。前人研究表明，水培生長50 d 的擬南芥［Arabidopsis thaliana（L.）Heynh.］在50 μmol·L-1鈾溶液中處理48 h 后，MDA 含量與對照相比顯著升高［48］。李宇林等［47］研究發(fā)現(xiàn)魚腥草MDA 含量隨鈾濃度的增加而上升。鈾和鎘污染土壤中生長的向日葵植株MDA含量比正常條件下升高了34.15%［30］。上述結(jié)果說明鈾脅迫使植物膜脂過氧化程度增加，膜的完整性遭到了破壞（表3）。

表3 鈾對植物的氧化損傷Table 3 Effects of U on oxidative damage in plants

2.4 滲透調(diào)節(jié)

滲透調(diào)節(jié)是植物響應(yīng)外界逆境脅迫的第一道屏障之一，當(dāng)植物受到非生物脅迫時可通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)［49］。脯氨酸（proline，Pro）作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有清除ROS，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)氧化還原平衡等作用［50］；植物體內(nèi)的可溶性蛋白也是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，熊凡［51］通過水培方式，設(shè)置5種鈾濃度梯度（0、0.1、1、5、10 mg·L-1）處理蘆葦［Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.］，發(fā)現(xiàn)蘆葦根部和葉片中游離Pro和可溶性蛋白含量都隨著鈾濃度的升高呈先升高后降低趨勢。有研究發(fā)現(xiàn)鈾處理番茄幼苗中的Pro含量比正常條件下生長的植株含量高［21］。澤瀉葉片中可溶性蛋白含量隨著鈾濃度的增加呈降低趨勢，其中鈾濃度為55 mg·L-1時可溶性蛋白含量最低［47］；猜測可溶性蛋白可與游離的鈾酰離子結(jié)合形成復(fù)合物，減輕鈾對植物的傷害癥狀。另有研究報道，水培生長14 d的蠶豆幼苗，在不同濃度的鈾溶液中處理72 h，蠶豆根中另一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖的含量隨著鈾濃度的增加逐漸降低，與對照相比，當(dāng)鈾溶液濃度為15、25 mg·L-1時，可溶性糖含量分別降低了12.72%、26.29%［23］（表4）。

表4 鈾對植物滲透調(diào)節(jié)的影響Table 4 Effects of U on osmotic regulation in plants

2.5 營養(yǎng)代謝

前人研究表明，植物中代謝物超過20 萬種，在重金屬脅迫下涉及氨基酸代謝、有機(jī)酸代謝、糖酵解等多種代謝途徑變化，重金屬通過干擾營養(yǎng)成分，調(diào)節(jié)營養(yǎng)元素的吸收、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而導(dǎo)致植物發(fā)生中毒現(xiàn)象［52-53］。鈾也通過一種復(fù)雜的方法影響植物礦質(zhì)營養(yǎng)代謝［53-54］。已有研究證明，鈾（Ⅵ）脅迫阻斷了蠶豆中P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu 和Mn 9 種元素的正常吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，尤其是植株地上部分、根和整株中的P含量與對照組相比均明顯下降，而且與P轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的基因，如無機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)量明顯降低，作者猜測P代謝異?？赡苁氢檶χ参锷L發(fā)育毒害的主要原因之一［26］。同時也有研究結(jié)果證明鈾會擾亂車軸草［Galium odoratum（L.）Scop.］中P、K、Mg、Zn 和Ca 的吸收和分配［55］；7 d大的擬南芥植株在鈾脅迫下的基礎(chǔ)營養(yǎng)代謝紊亂，表現(xiàn)在P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn 9 種元素的吸收和分配異常［54］。這些元素作為蛋白質(zhì)、核酸等大多有機(jī)物質(zhì)的組成成分，以多種方式參與植物體內(nèi)的多種營養(yǎng)代謝過程，對植物生長發(fā)育有著直接或間接的作用。目前對于鈾脅迫導(dǎo)致礦質(zhì)營養(yǎng)元素代謝不平衡的機(jī)制解釋如下：（1）胞間連絲是植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)V質(zhì)營養(yǎng)成分、糖分、氨基酸和有機(jī)酸等重要的運(yùn)輸通道之一，鈾積累在植物細(xì)胞壁中，會破壞胞間連絲結(jié)構(gòu)［26，56］；（2）鈾作為一種非必需元素，與礦質(zhì)營養(yǎng)元素運(yùn)輸載體競爭性結(jié)合，進(jìn)而阻斷相關(guān)礦質(zhì)營養(yǎng)元素代謝［48，57］；（3）鈾脅迫鈾會抑制營養(yǎng)元素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)載體相關(guān)基因的表達(dá)，不利于植物營養(yǎng)代謝正常進(jìn)行［24，26］。

2.6 水分代謝

植物體內(nèi)90%以上的水分用于蒸騰作用，蒸騰拉力介導(dǎo)根系對水分的吸收和利用。蠶豆幼苗暴露在25 μmol·L-1硝酸鈾酰溶液下時，與對照相比，植株根系表現(xiàn)出發(fā)黑的跡象，其總根長變短、根直徑和總根體積均減少，且蒸騰速率也降低［23］。同時植物對水分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要依靠水孔蛋白的調(diào)控作用［58］。前人研究表明，植物在鎘、銅、汞、鉛、鋅等重金屬脅迫下，水孔蛋白基因的表達(dá)受到抑制［59-60］。Aranjuelo 等［48］研究證實(shí)，鈾會誘導(dǎo)擬南芥ROS 過量產(chǎn)生及葉片氣孔關(guān)閉，進(jìn)而導(dǎo)致植株光合作用減弱、蒸騰速率下降，并且使質(zhì)膜內(nèi)蛋白-水孔蛋白基因表達(dá)下調(diào)，說明鈾影響了擬南芥植株的水分代謝平衡。

3 鈾對植物的基因毒害作用

基因毒害代表著機(jī)體功能紊亂，主要包括染色體畸變和DNA 結(jié)構(gòu)被破壞，鈾對動物和人體的基因損害已有較多報道，但少有研究證實(shí)鈾會對植物基因產(chǎn)生毒害［36，41］。植物短時間（24～72 h）暴露在鈾脅迫條件下，不會直接對其DNA 結(jié)構(gòu)造成損傷，而是通過誘導(dǎo)ROS 過量產(chǎn)生對植物造成傷害［41，61］。DNA 復(fù)制叉是植物細(xì)胞中DNA 復(fù)制的基本結(jié)構(gòu)，它的形成需要多種蛋白參與。最近研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，在鈾脅迫條件下蠶豆植株中相關(guān)基因ORC、CDC45、MCM、CCNA和CCNB1的表達(dá)明顯下調(diào)，這些基因下調(diào)會導(dǎo)致細(xì)胞分裂保持在分裂間期，因此會減弱有絲分裂指數(shù)，抑制DNA 復(fù)制叉的形成，進(jìn)而延遲細(xì)胞增殖，說明鈾脅迫會抑制DNA復(fù)制［41］。DNA被損壞之后，植物體內(nèi)會啟動一系列DNA 修復(fù)基因［62］。然而鈾脅迫會導(dǎo)致參與DNA 修復(fù)的13 個基因（如RBX1、PCNA、RAD54、MSH6、BLM、RPA1等）下調(diào)，從而阻止DNA 修復(fù)［41］。另外鈾脅迫會誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體發(fā)生畸變，細(xì)胞分裂受阻，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯，同時鈾脅迫還會抑制抗氧化酶活性，破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)［23，61，63］。正常條件下，微管細(xì)胞骨架能夠控制細(xì)胞分裂，?zdemir 等［61］觀察到鈾脅迫會破壞鷹嘴豆（Cicer arietinumL.）、菜豆（Phaseolus vulgarisL.）、豇豆（Vigna anguiculataL.）和荷包豆（Phaseolus coccineusL.）植物根尖細(xì)胞有絲分裂，推測可能是由于鈾脅迫誘導(dǎo)微管細(xì)胞骨架降解，進(jìn)而影響細(xì)胞分裂的正常進(jìn)行。鈾脅迫也會明顯改變CAT1和CAT2基因的表達(dá)，并導(dǎo)致總CAT 酶活性下降，膜脂過氧化增加［63］，糖蛋白是植物細(xì)胞壁的組成部分，有研究結(jié)果證明鈾脅迫會影響糖蛋白基因的表達(dá)，導(dǎo)致植物細(xì)胞壁被破壞，最終影響植物根的發(fā)育［24］。

4 展望

目前有關(guān)鈾對植物生長發(fā)育、生理生化代謝等方面的研究已取得較大進(jìn)展，但許多科學(xué)問題還有待進(jìn)一步深入研究探討，主要總結(jié)如下：

第一、鈾具有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ四種價態(tài)，其中Ⅲ、Ⅴ價態(tài)較活潑，不能在環(huán)境中穩(wěn)定存在，通常在水和土壤介質(zhì)中鈾是以Ⅳ和Ⅵ價態(tài)金屬化合物或氧化物形式共存。前人研究表明外界環(huán)境因素如土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH 值、氧化還原電位等理化性質(zhì)會影響鈾價態(tài)的轉(zhuǎn)換［10］（圖1），但需進(jìn)一步證實(shí)這些因素內(nèi)部之間是如何相互作用來影響鈾價態(tài)轉(zhuǎn)換的。

圖1 環(huán)境因子影響鈾價態(tài)Fig.1 The environmental fators affecting uranium valence state

第二、鈾主要是通過根部吸收從土壤轉(zhuǎn)移到植物，鈾進(jìn)入植物根部后，一部分會留在根部，對根的生長發(fā)育產(chǎn)生毒害效應(yīng)，另一部分則會從根部轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入植物地上部分，影響地上部分的生長發(fā)育。目前已有研究并未從遺傳分子學(xué)水平上對植物根部吸收鈾和鈾從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分的機(jī)制作出解釋，同時鈾對植物脅迫效應(yīng)的分子機(jī)制也需要進(jìn)一步挖掘。這些過程都與基因表達(dá)水平有很大的相關(guān)性，可以采用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等不同層次組學(xué)的方法，建立基因-轉(zhuǎn)錄-翻譯等不同代謝水平的網(wǎng)絡(luò)體系，探究鈾脅迫最終是如何影響植物生理生化，有助于深入研究鈾脅迫下植物根部吸收鈾、鈾從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分以及鈾對植物脅迫效應(yīng)的分子機(jī)理（圖2）。

圖2 鈾從土壤或水介質(zhì)到植物的轉(zhuǎn)移過程Fig.2 The transfer of uranium from soil or aqueous medium to plants

第三、盡管已有許多研究證實(shí)了鈾對植物生長發(fā)育階段的影響，但大都聚集于種子萌發(fā)階段與營養(yǎng)生長階段，而對于鈾是否會影響植物生殖生長階段的形態(tài)、組織與器官發(fā)育狀況并未有相關(guān)研究成果。植物的生殖生長是植物生長到一定大小之后進(jìn)行的花芽分化、開花、授粉、受精、結(jié)果等過程，可采用盆栽模擬試驗(yàn)，對比分析不同濃度鈾對植株開花時間、胚胎發(fā)育、種子發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)等的影響差異，也可以借鑒基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等方法探究鈾對相關(guān)基因表達(dá)的影響，進(jìn)而深入了解鈾對植物生殖階段的影響機(jī)理。

第四、在自然條件下，不同種類的植物在同一生態(tài)系統(tǒng)中共存，目前鈾對植物脅迫的研究大多針對一種植物開展，且多集中于短期試驗(yàn)，而關(guān)于鈾對植物種群、群落乃至整個生態(tài)系統(tǒng)水平上的脅迫效應(yīng)以及長時間尺度下毒害作用是否會逐代積累的相關(guān)研究較少。對于這些問題進(jìn)行探討，可以通過大田試驗(yàn)，人為模擬不同鈾污染水平的小塊樣地，構(gòu)建植物群落，進(jìn)行對比分析，觀察記錄鈾脅迫下隨著時間變化鈾富集植物是否會改變?nèi)郝渲薪ㄈ悍N和優(yōu)勢種的組成。

第五、受地形、氣候等環(huán)境因子的影響，我國不同區(qū)域土壤類型繁多，且土壤理化性質(zhì)、微生物組成等均有差異，會進(jìn)一步影響鈾存在價態(tài)，導(dǎo)致鈾脅迫對超富集植物毒害作用的程度有差異，這對于進(jìn)一步篩選生物量大、生長周期短、適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的鈾超富集植物也是一個難題。將來的研究中可以利用轉(zhuǎn)基因、細(xì)胞雜交和生物誘變等現(xiàn)代生物技術(shù)對植物、微生物進(jìn)行定向改造，以篩選鈾超富集植物。

綜上所述，前人已在探究鈾對植物傷害方面取得了許多重要的研究成果，可以看出鈾對植物的傷害是復(fù)雜的，涉及多方面的生理代謝反應(yīng)。但目前還有較多問題未得到有效解決，上述展望方面的研究如果能夠取得突破性進(jìn)展，可以優(yōu)化和加強(qiáng)植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，有助于今后在鈾污染土壤治理和環(huán)境保護(hù)方面制定出較為科學(xué)、可行的應(yīng)用方案，為我國環(huán)境保護(hù)與改善做出更大的貢獻(xiàn)。