植物积累重金属的机理研究进展

黄白飞，辛俊亮

（湖南工学院安全与环境工程系，湖南 衡阳421002）

由自然过程或人类活动如采矿、工业和农业生产造成的重金属污染已引起了广泛的关注［1，2］。在重金属污染中，镉和铅的污染最为广泛。U.S.EPA（美国环保局）将镉和铅分类为B类污染物（可能的人类致癌物）［3］。植物能从土壤中吸收必需元素如Fe、Cu、Ni和Zn，也会从土壤中吸收非必需元素如Cd、Pb、Hg、Cr和 As［4，5］。镉和铅被植物吸收后，会在植物体内转运和积累，对植物的生理活动产生影响，并且进入食物链，影响人类健康。近年来，国内外关于植物对重金属的积累和转运机理的研究报道很多，本研究从植物各部位对重金属吸收转运作用及重金属转运相关基因等方面研究进行总结。

一般而言，镉、铅在植物各部位含量的顺序为：根＞叶＞果实＞种子。因此，植物从土壤中吸收的镉、铅大部分留在根中，只有少部分被转运到地上部［6］。镉、铅到达可食部位特别是种子和果实中要经过许多细胞壁及细胞膜障碍。

1 镉、铅在根中的积累及分布

植物的根尖可以分泌黏液，将生长的根包围。这层黏液结合重金属的能力（因此阻止重金属的吸收）与重金属对黏液中生物大分子功能基团的结合能力直接相关。黏液的主要成分是糖类，最重要的功能基团是羰基和羟基［7］。重金属对糖醛酸的结合能力由大到小排序依次是：Pb2＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Zn2＋。金属对根尖黏液的结合能力越强，就越难进入根中［8］。铅对这些基团表现出高亲和力，因此，铅在根表皮细胞中的含量相对较低。

重金属离子通过质膜是植物吸收和积累重金属的第1步。一般而言，植物根部的Cd主要在质外体积累，尤其是细胞壁中。细胞壁是保护细胞原生质体不受重金属毒害的第1道屏障［9］。Cd与细胞壁结合能减轻Cd对植物的毒害，尤其是在短时间和低浓度Cd作用下这一机制显得尤为重要。细胞初生细胞壁中纤维素、果胶质和糖蛋白等形成的网架结构存在许多大小不一的网孔。在较小的网孔处，带正电的Cd离子被细胞壁中带负电的亲Cd物质所吸附。果胶质中多聚半乳糖醛酸的羧基基团起离子交换的作用，能吸收和固定Cd离子。各种重金属对细胞壁组分的结合能力与金属和碳水化合物中的羧基复合物稳定常数相关。各种重金属与多聚半乳糖醛酸的结合力顺序是Pb＞Cr＞Cu＞Cd＞Zn，这可以解释不同金属在组织中的转运速率不一样［8］。

根的皮层细胞可积累大量的镉、铅。皮层明显增加了根的直径并导致根表面积增加，这对结合重金属非常重要。重金属主要是与皮层的细胞壁结合。有研究表明，黄花茅（Anthoxanthumodoratum）铅耐性株系根中的铅大多分布在细胞壁，而铅敏感株系根中的铅大多分布在高度紊乱的细胞质［10］。重金属主要与根皮层细胞壁结合，这可以看作是解毒的一种形态生理学机理，用低的代谢活动将金属限制在细胞区室。镉和铅在细胞壁中有分布，在质体表面也有分布。有研究发现洋葱（Alliumcepa）根中有大量的铅在质膜的外表面聚集。因此，细胞壁积累重金属的同时，质膜作为最重要的细胞间障碍限制了质外体离子进入细胞质［8］。重金属在原生质体表面的积累可能扰乱质膜的结构和功能。这些干扰可以促进重金属被动进入到细胞中。

中柱和皮层由内皮层隔开。内皮层的一个典型特征是凯氏带的出现。凯氏带是一种整合的结构而不只是简单的细胞壁加厚，它的木栓质沉积延伸到胞间层［11］。一方面，凯氏带作为一种不可渗透的屏障阻止质外体离子从皮层进入中柱，另一方面，它作为渗透障碍防止中柱的溶液泄漏［12］。内皮层的屏障作用是基于内皮层细胞壁的不可渗透性。因此，溶质必须经过原生质体进入，这样就能调节水分和各种溶质的运输。内皮层具有屏障作用是因为凯氏带中出现了木栓质，也因为成熟内皮层具有独特的超微结构。电子显微镜图片显示，位于凯氏带附近的质膜平滑且比细胞其他部分要厚，它紧紧地贴在细胞壁，这样就能保证细胞壁和细胞膜之间的紧密接触。在许多植物中，内皮层是铅转运到中柱过程中最重要的障碍［8］。

然而，内皮层的障碍作用不只是由细胞壁的栓化作用决定的，也与紧贴凯氏带的细胞质膜的渗透性相关。此时离子通过细胞间隙转运几乎是不可能的，而细胞具有控制离子进入原生质体的能力［13］。非原生质体中的毒性离子存在一个阈值（可能是在细胞间隙中），高于这个值，细胞膜结构和功能失调，膜的通透性上升，金属进入到中柱组织。实际上，在溶液中的铅浓度达到10－4mol/L时，培养1d后就能在根中所有组织都观察到铅。值得注意的是，在这种浓度下内皮层细胞也是能存活的。因此，铅失控进入到中柱是由内皮层细胞膜通透性的破坏引起的，而不是由细胞死亡引起的［14］。

镉、铅一般在根表皮和皮层积累。在非致死浓度，极少量镉进入中柱组织。这些金属在内皮层的含量比相邻外皮层细胞的含量要低。绝大部分镉保留在根部，这在一定程度上减少了镉对植物地上部的影响。如在大豆中98%以上的镉保留在根中，而只有2%的镉转运到地上部［15］。

木质部导管在物质的远距离运输中起重要作用。根中柱组织排列的主要特点是韧皮部和木质部空间上是分离的，与这2种组织都结合的是中柱鞘。这种排列使得韧皮部和木质部具有功能上的协调性［16］。重金属绕过韧皮部，直接进入木质部，然后被转运到植物地上部器官。

2 镉、铅从根转运到地上部

木质部汁液与韧皮部汁液的化学组成很不一样，木质部汁液的pH范围是5.0～6.0，具有更强的氧化还原势和更低的有机化合物含量，如糖、多肽和蛋白。镉不仅优先与巯基基团结合，也与N和O配体结合。因此，半胱氨酸和其他含巯基化合物（如植物鳌合肽、谷胱甘肽等）、各种有机酸（如柠檬酸）和木质部汁液的其他氨基酸可能对镉转运到地上部的过程起重要作用［17］。用柠檬酸处理木质部汁液能促进番茄（Cyphomandrabetacea）中木质部的镉转运到茎叶［18］。木质部的镉浓度和叶中镉积累的速度表现出类似饱和动力学，这说明溶液中的镉转运到根中再到木质部是由饱和运输机制介导的［19］。同一作物的不同品种对重金属积累的差异也可能与木质部和韧皮部运输有关。有研究对2种油菜（Brassicacampestris）基因型（高镉积累基因型溪口花籽和低镉积累基因型凉亭花籽）木质部汁液中主要无机、有机阴离子（氯离子，硝酸盐，苹果酸，硫酸盐，磷酸盐和柠檬酸盐）进行测定，并分析阴离子与镉浓度的关系，发现溪口花籽木质部汁液中较低的磷酸盐浓度可能与木质部镉的高效转运相关，木质部汁液中的苹果酸盐可能参与镉的长距离运输［20］。籽实高镉积累水稻品种Habataki比低镉积累品种Sasanishiki能更迅速地将根中的镉转运到地上部，这可能是因为其木质部有更强的转运镉的能力，并且以蒸腾作用作为驱动力［21］。张永志等［22］通过在人工气候箱中，调节环境的温度和湿度，形成不同的环境蒸汽压，使植物产生不同的蒸腾作用，利用水培实验研究了在不同蒸腾作用下2个番茄（Lycopersiconesculentum）品种的幼苗对重金属Pb、Cd的吸收积累规律，发现高蒸腾作用下植株Cd和Pb含量比低蒸腾作用下分别增加了1.47～1.73倍和1.25～1.75倍，单株的积累量则分别增加了1.71～3.18倍和1.67～2.21倍。

镉、铅被运输到地上部后，浓度高时会对叶片产生毒性作用。植物叶片有各种降低镉、铅毒性的方法。在鼠耳芥（Arabidopsishalleri）叶中，毛状体镉含量远高于其他部位。在毛状体中，镉的亚细胞区室化非常明显，几乎所有的镉积累在毛状体基部一个小环中。表皮其他细胞中镉含量很少，低于叶肉细胞。叶肉细胞中的镉浓度随营养液中镉浓度的升高而迅速升高，说明叶肉细胞是镉的主要储存位置，在富集镉的过程中起重要作用［23］。镉的超富集植物印度芥菜（Brassicajuncea）能将镉贮存在叶片的表皮毛中达到解毒作用［24］。在一些蔬菜叶片中，镉大部分存在于细胞壁，占总量的62%～85%，少量存在于原生质（不含叶绿体）和叶绿体中；随着营养液中镉浓度的增加，各组分中镉含量明显增加，但分配比例变化不大［25］。

3 镉、铅转运相关的基因

重金属在植物体内的积累有很大的差异，不同植物对重金属的策略也不一致，有的采用富集策略，也有的采用排斥策略。同一物种的不同品种对重金属的积累也有较大的差别。植物重金属积累能力不同主要是由吸收和转运引起的。重金属转运相关的基因和蛋白一直是植物对重金属积累机理研究的一大热点。与镉、铅转运相关的蛋白有很多，如ABC转运蛋白家族、P－type ATPase、V－ATPase、阳离子反向运输器等。

3.1 ABC转运蛋白家族

腺苷三磷酸结合盒转运蛋白（ATP－binding cassette transporters，ABC转运蛋白）由于含有一个腺苷三磷酸（ATP）的结合盒而得名，是生物体中最大的蛋白家族之一。ABC转运蛋白是膜整合蛋白，它利用水解ATP的能量对溶质中各种生物分子进行跨膜转运［26］。它能转运的底物有很多，包括离子、碳水化合物、脂类、抗生素、药物和重金属［27］。拟南芥的ABC转运蛋白分为13个亚家族，其中与重金属转运相关的亚家族主要是多效抗药性亚家族（pleiotropic drug resistance，PDR）、广谱抗药性相关蛋白亚家族（multidrug resistance－associated protein，MRP）和线粒体 ABC转运蛋白（ABC transporter of the mitochondria，ATM）［28］。

ATM亚族是ABC转运蛋白最小的亚族之一，由一个跨膜区域和一个ATP结合区域构成。在拟南芥（Arabidopsisthaliana）中有3种ATM 家族成员，即AtATM1、AtATM2和AtATM3［29］。AtATM3是一种线粒体蛋白，与植物体内铁硫簇的生物合成和离子内稳态相关，AtATM3对植物的耐镉性有贡献并可能介导谷胱甘肽结合的Cd（II）透过线粒体膜。当用Cd（II）或Pb（II）处理拟南芥植株时，AtATM3表达上调。AtATM3过量表达时能提高植株对镉的抗性，而AtATM3缺失突变株与野生型对照植株相比对镉更为敏感［27］。

ABC转运蛋白AtPDR8是位于拟南芥细胞膜的镉或镉结合物的流出泵。在镉或铅处理的拟南芥中，AtPDR8表达上调。与野生型相比，AtPDR8过量表达的植株对Cd2＋或Pb2＋具有更高的抗性并且镉含量更低。相反，与野生型相比，AtPDR8RNAi植株和T－DNA插入株系对镉或铅更为敏感并积累更多的镉。GFP－AtPDR8蛋白定位于细胞膜上。分离出来的原生质体和放射性Cd109的流出分析表明，与野生型相比，在AtPDR8过量表达的植株中，镉的泵出量更高，而在RNAi植株中，镉的泵出量更低［30］。AtPDR12，也是拟南芥ABC转运蛋白家族成员中的一员，它参与铅的解毒作用。AtPDR12的表达水平在野生型拟南芥地上部和根中受铅处理而升高。在含有Pb（II）的培养基中，AtPDR12敲除植株（atpdr12）长得不如野生型好，但积累的铅却更多。与atpdr12植株相反，AtPDR12过量表达的拟南芥植株对铅有更强的耐性，但积累的铅比野生型要少。AtPDR12的作用是将Pb（II）和/或含铅有毒化合物泵出细胞质，它只对Pb起作用，而对其他的重金属不起作用［31］。水稻（Oryza sativa）Ospdr9，编码PDR型ABC转运蛋白，在水稻根中受重金属和氧化胁迫诱导。重金属镉（20μmol/L）可迅速并显著地诱导水稻幼苗根中的ospdr9表达［32］。

有研究表明MRP对镉的隔离起作用［33］。MRP3受镉胁迫后表达量上调，如在低镉（20μmol/L）和高镉（200μmol/L）浓度下，大麦（Hordeumvulgare）中有一个与AtMRP3具有同源性的基因表达上调［34］。AtMRP3，4，6，7，14受镉胁迫后表达上调，而且它们的转录水平是由重金属离子直接调控的［35－37］。AtMRP3可以转运Cd（II），在8ycf1突变体中表达时能部分恢复酵母对镉的耐性［38］。拟南芥MRP7位于液泡膜和细胞膜上，AtMRP7在烟草（Nicotianatabacum）中的过量表达增强了烟草对镉的耐性并提高了叶片液泡中的镉含量，说明它是通过液泡储存降低镉毒性的。异源的AtMRP7的表达也能使更多的镉滞留在烟草根中，对镉从根到地上部的迁移产生影响［36］。

3.2 P－type ATPase

各种P－type ATPase离子泵具有一个共同的作用机理，即ATP水解帮助离子进行跨膜运输。P－type ATPase在所有生物体中都存在，可以转移各种离子，包括H＋、Na＋/K＋、H＋/K＋、Ca2＋及重金属，根据其转运底物的不同可将P－type ATPase分为5个主要的类别和10个亚家族。细菌、植物与人类中与重金属转运相关的P－type ATPase被划分为 P1B亚家族，也被称作重金属 ATP酶（heavy metal ATPases，HMA）［39］。P1B－type ATPase能将多种重金属离子如Cd2＋、Cu2＋和Zn2＋等进行跨膜运输，在金属的内环境稳态中起重要作用［40］。

在细菌中，P1B－type ATPases负责将有毒的二价或单价重金属泵出细胞。这些ATPases的N末端是由一个βαββαβ折叠和一个CXXC金属结合基序组成金属结合区域［41］。ZntA也属于P1B－type ATPase，与大肠杆菌对Pb2＋、Zn2＋和Cd2＋的抗性有关。ZntA能高亲和力地结合2个金属离子，一个是在N末端区域，另一个是在跨膜区域。2个位点均能结合二价的或单价的金属离子［42］。大肠杆菌基因ZntA，编码Pb（II）/Cd（II）/Zn（II）离子泵。将大肠杆菌基因ZntA转化到拟南芥中，发现ZntA定位于细胞膜上，提高了拟南芥对Pb（II）和Cd（II）的抗性，降低了拟南芥地上部铅和镉的含量［43］。

拟南芥AtHMA3蛋白与重金属转运相关，能将重金属限制在液泡内以提高植株对重金属的耐性，AtHMA3集中在液泡膜上，这与其将镉泵入液泡的功能一致［44］。AtHMA3能在保卫细胞、排水孔、维管组织和根尖高效表达。AtHMA3的过量表达可以提高转基因拟南芥对镉、钴、铅和锌的耐性，并且过量表达AtHMA3的植株中镉的积累量比野生型高2～3倍［45］。日本冈山大学的一个研究小组在水稻中发现了1个控制Cd向地上部分转运的基因OsHMA3，对这个基因进行过表达或抑制表达可完全改变水稻籽粒中镉的累积量。低镉品种的OsHMA3能将镉限制在根液泡中而使其不能向地上部转运［46］。拟南芥HMA4作为一种流出泵在高浓度重金属解毒方面起重要作用。AtHMA3在酵母ycf1缺失突变体中表达时能提高酵母对镉的抗性，但是在野生型酵母中表达时没有提高对镉的抗性。AtHMA4在酵母ycf1缺失突变体和野生酵母中表达时，均能提高酵母对镉的抗性。这可能与它们在酵母中表达时蛋白的定位相关，AtHMA4位于细胞膜上，能将镉泵出细胞；而AtHMA3位于液泡膜，只能将镉限制在液泡内，因此只提高了ycf1突变株对镉的抗性［47］。HMA2和HMA4对锌从根到地上部的转移是必不可少的，它们也能转运镉［48］。AtHMA4集中在细胞膜上并在根的维管束周围表达。异源AtHMA4的过量表达能促进转基因植株根在含锌、镉、钴的溶液中生长。AtHMA4缺失突变体植株中，根到地上部锌、镉的转移量降低，可见AtHMA4对金属转运到木质部起重要作用［49］。也有研究认为HMA4在鼠耳芥中的组成性高量表达是鼠耳芥富集锌和镉的决定因素［50］。它能使锌从根的共质体中释放出来，流入导管，转运到地上部。HMA4在遏蓝菜（Thlaspiarvense）中也起到相似的作用［51］。TcHMA4蛋白C末端含有许多可能与重金属结合的His和Cys重复，在重金属到木质部的转运中起重要作用［52］。另外，水稻OsHMA9也是P1B－type ATPase家族的一个成员，它的表达被高浓度的铜、锌和镉所诱导。OsHMA9：绿色荧光蛋白融合物定位于质膜上。OsHMA9能将铜、锌和铅泵出细胞［53］。

3.3 其他与镉、铅转运相关基因

植物中的阳离子反向运输器（antiporter－cation exchanger，CAX）是一种Ca2＋/H＋交换器，可以在液泡膜上将Cd（II）与质子进行交换，将镉固定在液泡内［54］。拟南芥的阳离子交换器CAXs编码定位于液泡膜上的转运蛋白，对液泡积累和隔离镉（Cd2＋）起重要作用。Koren’kov等［55］将一些拟南芥CAX基因转化到烟草中，比较不同的CAX基因，发现它们都能不同程度地转运Cd2＋、Ca2＋、Zn2＋和 Mn2＋，其中CAX4和CAX2能高选择性地将Cd2＋转运到液泡。CAX4能提高根液泡膜Cd2＋/H＋交换量和初始交换速率。当转基因植株种植在含有0.02 μmol/L Cd的介质中时，CAX4和CAX2表达的烟草植株根中镉积累量增加［56］。

AtMHX是拟南芥液泡转运子，由单一基因编码，它能交换质子Mg2＋、Zn2＋和Fe2＋。AtMHX在烟草中的过量表达使烟草对 Mg2＋、Zn2＋和Cd2＋敏感，诱导V－ATPase表达，并使植物尺寸减小。AtMHX不只是将Mg2＋和Zn2＋带入植物体内，也将Cd2＋带入植物体内［57］。AtIRT1（定位在根细胞的细胞膜上）是拟南芥根中主要的离子吸收系统，它也能转运大量的镉［58］。ZIP家族也是金属转运蛋白中的重要家族，它也定位在细胞膜上，与根细胞从土壤中吸收镉和镉从根向地上部的转运相关［59］。

也有报道发现一些基因能增加植物对Pb的积累量。烟草钙调素结合蛋白基因（NtCBP4）的过量表达能使植株对Pb2＋具有超敏感性，但体内Pb2＋的积累较多。NtCBP4与重金属吸收相关可能是通过质膜起作用的，结构分析表明它是一种非选择性阳离子通道［60］。

4 研究展望

近年来，植物中与重金属转运和积累相关的机理研究受到越来越广泛的关注和重视，然而，重金属转运和积累是极其复杂的生理过程。重金属在植物中的转运和分布对植物各器官积累重金属的能力是非常重要的。许多植物通过共质体途径和质外体途径限制重金属转运到木质部，进而减少其向地上部的运输。当植物根系暴露在浓度较高的重金属环境中时，植物可以通过一些转运蛋白如MRP7、HMA3、CAXs等将重金属转运到液泡，并且产生更多的植物络合素将一些重金属络合在液泡中，以减少对植物的毒害作用。这样可以减少共质体中的重金属含量，同时也减少了进入木质部的重金属的量。另外，植物还可以通过加速内皮层的发育来减少质外体途径对重金属的运输。虽然有关重金属在植物体内转运的生理机制研究较多，但是，这些转运是否会受到其他重金属的干扰还了解甚少。当前大多重金属污染是多种重金属的复合污染，因此，研究多种重金属存在的条件下重金属在植物体内的转运和积累过程是今后研究的一种发展趋势。

重金属的转运过程受到多基因的控制。虽然这方面的研究已取得一些进展，但迄今仍有许多地方仍不明确。与重金属转运相关的基因多积累在ABC转运蛋白家族和P－type ATPase，而其他方面的基因报道较少。因此，以后的研究也需要探寻更多的与重金属转运相关的基因。另外，虽然现在研究了不少参与重金属的吸收、转运和调控过程的基因，但是这些基因是怎样协同工作，又是通过哪些机制来调控，还知之甚少。这些将成为后一阶段的研究重点，也是重金属在植物体内转运机理研究的一大发展趋势。

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