向日葵对重金属胁迫的防御机制及其土壤修复效率提高途径

杨翠凤，滕 峥，李荣峰，曾小飚，贾桂康

(百色学院 农业与食品工程学院，广西 百色 533000)

土壤遭受重金属污染后，大量重金属会累积在植物组织器官中，不仅影响植株生长发育，而且会通过食物链进入动物和人类体内，引发病变甚至危及生命。向日葵(HelianthusannuusL.)作为抗旱、耐瘠、耐盐碱、适应性强且经济价值很高的油料作物，已被证实对重金属有较强的耐受性和富集能力，能有效去除土壤中的重金属[1]。与蓖麻、玉米、紫花苜蓿及芥菜相比，向日葵对重金属Cd、Pb具有更强的富集能力和耐受性[2-3]。王永芬等[4]研究表明，土壤Cu2+浓度较高时，向日葵地上部积累Cu较多，当Cu2+浓度达200 mg/kg ，叶片中Cu含量超过根部(叶根比1.27)。另有研究证明，在污水灌溉区，向日葵对Zn、Cu、Cd的最大富集量分别达97.27、22.84、0.54 mg/kg[5]。Arash等[6]研究表明，经向日葵幼苗过滤后，污染水体中的Zn2+、Cu2+、Pb2+浓度均在FAO和EPA规定的农田灌溉水质标准的安全范围内，充分证实了运用向日葵作为重金属污染过滤清除系统的有效性。马灏[7]研究表明，向日葵易于将根部Cd和Zn向地上部转移，与蓖麻相比，向日葵能更高效地去除土壤中的Cd和Zn，并在收获植株做能源时产生更高的热值。由此可见，利用向日葵开展重金属污染土壤的治理具有潜在的开发和应用价值，可带来一定的社会、生态和经济效益。综述了重金属在向日葵体内的迁移规律和富集特征，阐述了向日葵对重金属胁迫的解毒(防御)机制及提高向日葵修复重金属污染土壤效率的途径，并从不同的角度对今后研究重点进行了展望，以期为利用向日葵修复重金属污染土壤提供实践参考依据。

1 重金属在向日葵体内的迁移规律和富集特征

研究表明，同一种植物类型生长在不同污染类型或污染程度的土壤中，会表现出不同的重金属迁移特性和富集能力[8-9]，同一植株不同组织器官对重金属的积累量也存在较大差异[10]。郭平等[11]研究向日葵幼苗吸收富集Pb、Cu的能力时发现，Cu由根向茎叶运输能力大于Pb。肖璇[12]研究显示，向日葵各器官(根、茎、叶、种子)对Pb的积累呈现先升后降的趋势，且随着Pb2+浓度的增加，向日葵对Pb的迁移总量先增大后减小，迁移系数也呈现出先增大后减小的趋势，但均在1以下。马灏[7]研究向日葵修复Cd和Zn污染土壤的结果表明，向日葵每个生长时期的地上部分重金属富集量均显著高于根部，说明向日葵易于将根部Cd和Zn向地上部迁移，具有一定的植物修复潜力。而随着土壤污染的加重，向日葵根、茎、叶、籽实中相应的Cd和Zn富集量呈先增加后降低趋势，表明当土壤重金属离子浓度过高时，会抑制向日葵吸收重金属的能力，且俄罗斯向日葵修复Cd和Zn污染土壤的潜力和效益较普通向日葵更高。Lee等[10]研究表明，Cd在向日葵各组织器官的累积量表现为籽实>茎>叶>花>根，Pb表现为茎>根>叶>花>籽实。

植株体内重金属富集量易受品种类别、土壤污染特点、植株生长特性等因素影响，因而存在差异。因此，在实际应用向日葵进行植物修复时，需综合考虑土壤受污染程度、品种类型、植株生物量等多方面因素，有效选取能最大限度发挥效应的优势品种(系)和相应的修复方法。Nasser等[13]研究表明，向日葵修复Cd、Pb污染土壤安全经济有效，并建议修复Cd污染土壤时采取植物固定法，修复Pb污染土壤时采用植物提取法。

2 向日葵对重金属胁迫的防御机制

2.1 激活抗氧化系统

重金属胁迫下，向日葵自身通过启动多种防御系统来降低重金属对细胞的伤害，其中，激活抗氧化系统，清除自由基，保护细胞免受氧化胁迫的毒害是其主要解毒机制之一。研究表明，重金属胁迫下向日葵植株体内的抗坏血酸还原酶(AR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽转移酶(GSTs)活性以及过氧化氢(H2O2)、过氧化脂质的浓度会显著提高[14-16]。此外，王明金等[17]研究表明，在Pb浓度为0～10-4mol/L时，随着Pb浓度的增加,向日葵不同部位的愈创木酚过氧化物酶(GPX)活性不断增强，从而促使体内活性氧自由基平衡。Marisamy等[18]研究表明，向日葵可以通过提高花青素含量以及抗氧化物酶活性来抵御金属钡(Ba)的毒害。郭艳丽等[19]研究表明，随着Cd2+浓度增加，向日葵幼苗游离脯氨酸和丙二醛(MDA)含量增加，而可溶性蛋白含量和过氧化物酶(POD)活性呈先上升后下降的趋势。吕潇[20]研究发现，Pb胁迫下，向日葵幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、POD和过氧化氢酶(CAT)活性均呈先上升后下降趋势，而MDA含量则表现出先下降后上升态势，通过双向电泳技术检测到向日葵应对重金属胁迫产生反应机制的重要蛋白质，如叶绿体蛋白、感应蛋白等。

向日葵品种、不同组织器官以及重金属类型、浓度和胁迫时间会使向日葵抗氧化系统的应激效应产生一定差异。Doncheva等[21]研究表明，在0.1 mmol/L Pb胁迫下，向日葵叶片抗氧化活性、清除自由基活性和总黄酮含量与对照(未施用Pb胁迫处理)相比显著增加，但各参试品种之间存在差异。Groppa等[22]、殷恒霞等[23]、马克思[24]研究证实了向日葵幼苗POD、脯氨酸、MDA和谷胱甘肽(GSH)含量随着重金属离子(Cd2+、Zn2+、Cu2+)浓度的增加而上升，而SOD和CAT活性表现为先增加后降低的趋势；Cd、Zn胁迫对脯氨酸含量变化的影响大于Cu胁迫，而Cu胁迫对GSH含量变化的影响大于Cd、Zn胁迫。另有研究表明，与相同浓度的Co、Cr和Pb胁迫引起的效应相比，0.25 mmol/L Cd引起的抗氧化胁迫应激反应最大，使得向日葵体内硫代巴比妥酸活性物质浓度增加、抗氧化酶(SOD和APX)活性降低[25]。

2.2 络合重金属离子

通过植物螯合肽、有机酸、氨基酸和金属硫蛋白等对重金属离子进行络合，降低自由离子的活度系数，是向日葵降低重金属毒性的另一个重要机制[26]。Krystofova等[27]研究表明，向日葵根和叶中的植物螯合肽和GSH含量随着Pb2+胁迫时间的延长而上升。Cd胁迫降低了向日葵种子中的总脂质和中性脂质含量，而极性脂质(磷脂和糖脂)含量则随着Cd浓度的增加而增加[28]。另有研究显示，高浓度Cd和Cu胁迫下，向日葵中的脯氨酸和腐胺含量增加[22]。Cd胁迫下，向日葵根际土壤中低分子有机酸(戊二酸、乙醇酸、乳酸、乙酸、苹果酸、琥珀酸)含量增加[29-30]。随着金属离子浓度(Al3+、Cd2+、Zn2+)的增加，向日葵根系和地上部分分泌的苹果酸和柠檬酸含量呈上升趋势[31]。Niu等[32]认为，重金属的存在刺激了向日葵对有机酸的分泌，而正是这些有机酸的分泌改变了根际环境的pH值，并在氧化还原电位方面发挥重要作用，增加了植株对重金属的生物利用率。

2.3 其他防御机制

向日葵还可激发其他抗性机制如通过在组织和细胞水平对有毒离子进行区隔化作用，或通过细胞壁吸附、沉积作用，或通过细胞膜选择吸收、外排作用，限制重金属离子进入细胞，降低重金属离子对正常生理代谢活动的影响[33]。研究表明，Cd主要积累在植株根系和老叶中，在顶端组织积累较少[33]。随着Cd2+浓度的增加，根和茎吸收Cd的增加量高于叶片[34]。在花芽阶段，向日葵将Cd、Cu和Zn主要富集在根系和老叶组织中，成熟期累积的重金属将被重新迁移到不同组织中[33]。此外，在花芽期之前的生长阶段，重金属在向日葵体内的迁移系数高于后期生长阶段[35]。向日葵在生长过程中通过转移不同组织器官来富集重金属，生长前期主要将重金属积累在根系部分，在随后的生长阶段逐渐将体内的重金属迁移至地上部分[33,35]，推测这可能是向日葵用来增强对重金属耐受性的一种防御策略。

3 提高向日葵对重金属污染土壤修复效率的途径

3.1 农艺措施

不同品种(系)向日葵对同一重金属抗性表现有所不同，同一品种(系)对不同重金属抗性表现也有所不同，因此，选择高抗品种(系)是提高向日葵对重金属污染土壤修复效率的途径之一[36-37]。Zou等[37]研究发现，向日葵品种RH118表现出比No.665和QFS14更耐Cd。Atta等[38]研究表明，向日葵品种Hysun-33对Cr的累积量高于SF-5009。马灏[7]研究表明，俄罗斯向日葵比普通向日葵修复Cd和Zn污染土壤的潜力和效益更高。另有研究指出，对比其他重金属(Cu、Al、Cr、Mo、Se)，向日葵修复Cd、Ni、Pb和Zn污染土壤的效率更高[39]。

外源水杨酸(SA)可以促进向日葵生长，提高植株生物量，增加光合色素、可溶性糖、可溶性蛋白和饱和脂肪酸含量，减轻重金属引起的毒害作用[40]。Hao等[41]研究表明，外施SA虽促进了向日葵生长，提高植株生物量，但对Cd和Zn的累积量与对照(不施用SA处理)相比差异不显著。外施醋酸和苹果酸时，根系Cd含量增加，地上部分对Cd的累积量反而减少[42]。这些结果需在今后的试验中进一步证实。

合理运用耕作制度也可以提高向日葵对重金属污染土壤的修复效率。杨洋等[43]在重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg)复合污染的矿区废弃农田中研究油菜—玉米和油菜—向日葵2种轮作种植模式对土壤重金属污染的修复潜力，结果表明，2种轮作种植模式都可以对土壤中的重金属进行有效的提取，其中油菜—向日葵的种植模式优于油菜—玉米的种植模式，重金属 Cu、Pb、Cd、As含量较高，分别为2 408、2 027、658.5、250 g/(hm2·a)。

3.2 螯合剂诱导修复

研究表明，鳌合剂能有效提高向日葵根、茎、叶中重金属含量，而籽实的增加量远没有其他部位明显[44]。作为光合作用的原料，CO2浓度升高一定程度上可以增强向日葵的抗性，当CO2与鳌合剂联合施用时，鳌合剂可能是影响土壤pH值变化的主要因子[45]。研究表明，CO2不仅促进了向日葵的生长和发育，而且有利于Cu由根向茎叶的运输，显著增加对Cu的积累[45]。EDTA+Pb处理增加了向日葵生物量、光合色素产物和抗氧化物酶活性，显著提高了向日葵对重金属Pb的吸收效率[9,46]；当EDTA浓度为5 mmol/kg时，Pb的积累总量可达到1 601 μg/株[12]。同样，施加EDTA可以强化向日葵对重金属Cr的吸收，但加重了Cr对向日葵的毒害，抑制了向日葵对矿质元素(N、K、P、Na)的吸收，减少了根系和地上部分的生物量[47]。Eissa等[48]研究结果类似，施加EDTA增强了向日葵对3种重金属(Cd、Pb、Ni)的吸收。EDTA属于非生物降解的螯合剂，易引起土壤二次污染，因而开发利用生物降解螯合剂[如乙二胺二琥拍酸(EDDS)、谷氨酸N,N-二乙酸(GLDA)]显得尤为重要[49-50]。

3.3 微生物联合修复

微生物作为土壤中活跃的生物因子，与植物、土壤构成一个“土壤-植物-微生物”微生态圈，可协助植物抵御重金属胁迫，促进重金属在植物中的吸收和转运。研究发现，施用菌肥能有效促进向日葵对Pb的吸收，降低土壤Pb含量[51]。接种植物促生细菌(PGPR)金黄杆菌(Chrysiobacteriumhumi)显著提高向日葵富集Cd和Zn的能力，分别提高了67%和64%[52]。接种As抗性兼具促生长特性菌株Alcaligenessp.DhalL可有效活化重金属As并促进向日葵对As的吸收[53]。接种Cr抗性细菌SS6提高了向日葵地上部分以及根系干质量，使得Cr累积量增加了107%～171%[54]。混合菌接种比单菌接种效果好，接种沙福芽孢杆菌(Bacillussafensis)+玫瑰考克氏菌(Kocuriarosea)后向日葵根系和地上部分Cd累积量分别提升了30%和25%[55]。接种微球菌(Micrococcussp.)+克雷白氏杆菌(Klebsiellasp.)显著增加了向日葵植株吲哚乙酸(IAA)含量和根长，提高了根和叶对Cd的富集，而且促进了根系的Cd向地上部分迁移[56]。

接种丛枝菌根真菌(AMF)可以显著提高向日葵对重金属的耐受性和累积量。De Andrade等[57]、Zadeh等[58]研究表明，在Cd污染土壤中，接种AMF后增加了向日葵叶面积、植株生物量以及对矿质元素的吸收，同时提高了根和叶对Cd的吸收。Ker等[59]研究显示，在Ni胁迫下，接种AMF不仅促进了向日葵植株生长、对矿质元素和Ni的吸收，还提高了谷氨酰胺合成酶活性。Davies等[60]研究表明，接种AMF提高了向日葵叶片的气孔导度和光合速率以及对Cr的吸收。此外，接种AMF在促进向日葵生长的同时也能提高对Pb、Zn的富集[61-62]。但另有研究表明，不同AMF的作用方式和迁移金属能力存在差异，如根内球囊霉菌(Rhizophagusirregularis)强化了Cd向向日葵地上部分迁移，而摩西管柄囊霉菌(Funneliformismosseae)将Cd固定在向日葵根际[63]。

3.4 其他途径

生物炭可以改善土壤肥力，减轻重金属对植物造成的毒害[64-66]。生物炭降低了土壤中金属Cu的迁移率，促进了向日葵的生长，增强了向日葵的耐受性[67]。但目前关于向日葵配合施用生物炭开展重金属污染土壤修复的研究报道还比较缺乏。

外施赤霉素和IAA促进向日葵生长的同时加强了对Cr、Zn的吸收[68]，结合施用IAA和EDDS比单施EDDS更能促进向日葵对Zn的吸收[69]。

4 存在问题与展望

受重金属污染的土壤结构特征往往较为复杂，土壤水分缺乏，营养物质不足，土壤质量较差。目前，关于向日葵富集重金属的研究大多集中在水培、砂培等模拟试验条件下，与实际土壤条件有一定差距。今后的研究工作应在以下方面进一步加强：(1)农艺措施如间套种、生物炭、植物激素、土壤螯合剂等相互配合使用提高向日葵修复效率；(2)挖掘向日葵或者微生物基因组中与重金属耐性相关的基因，通过基因工程技术改良植物或与植物互作的细菌，提高植物修复效率；(3)向日葵修复重金属污染土壤的机理，包括根际环境如何改变重金属有效态，植物-微生物-土壤之间互作的微生态关系，地上部分和根系如何转运和迁移重金属等；(4)向日葵收获后的处理和资源化利用技术。

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