代谢组学在植物重金属胁迫研究中的应用

王佳钰，李萌，宋晓卉，李琦，齐秀芬，王兰兰

（沈阳师范大学生命科学学院，辽宁沈阳 110341）

我国现阶段大约有近20%的土地已经遭受到了严重的重金属污染，总计面积约为11亿公顷，遭受重金属污染的粮食产量达到了上千万吨，直接经济损失达到200亿余元[1]。2014年，《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国土壤总的点位超标率为16.1%，约合100.8万平方千米。植物细胞内，生长发育必需的金属离子可以保证体内的正常生理功能，利于其生长，但当浓度超过一定域值时，会对植物造成毒害[2-3]。目前的研究表明，植物中代谢物超过20万种，在重金属胁迫下涉及氨基酸代谢、有机酸代谢、糖酵解代谢等多种代谢途径变化[4-5]，故代谢组学为研究植物逆境下代谢动态调控机制提供了平台。本文综述了不同重金属胁迫下植物内氨基酸类、有机酸类、糖类等物质的含量变化特征及调控机制，并对本领域中有待深入研究的方向及问题进行了展望。

1 氨基酸类代谢产物与重金属胁迫

氨基酸是蛋白质的基本组成单位，在植物体受到重金属胁迫后，参与调节离子转运、气孔关闭、氮代谢等解毒过程[6-7]。氨基酸类代谢物的变化可作为研究重金属胁迫后植物体响应的重要信号。

吕佳莉等运用主成分分析法分析玉米幼苗5个不同的Cd2+浓度梯度（1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L）处理下氨基酸类代谢物的响应变化[8]。结果鉴定出甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、缬氨酸、苏氨酸6种氨基酸类差异代谢物含量均上升，尤其是Cd2+浓度较高时含量升高显著（P＜0.05）。甘氨酸和谷氨酸是谷胱甘肽和植物螯合肽合成的前体物质，参与植物螯合肽和抗氧化酶代谢物的合成过程。重金属胁迫抑制植物正常的氮代谢途径，通过甘氨酸和谷氨酸的积累以促进体内硝酸盐的还原，从而缓解重金属的伤害。同时，这两种氨基酸也影响细胞壁的生长和生理功能[9]。天门冬氨酸可以调节降低植物体内硝酸盐的含量，维持植物细胞渗透压，而且还可以作为重金属的配体，形成金属复合物[10]。丙氨酸的应激反应主要体现在对细胞内环境pH的调节，其含量的增加可能是由于重金属胁迫后，蛋白质合成速率降低和丙氨酸转氨酶反应减缓引起的[7]。以上这些氨基酸大都是糖异生的前体氨基酸，前体氨基酸水平的升高表明植物体内蛋白质分解水平增加，糖异生途径水平增高，糖异生主要是由非糖前体物质生成糖的过程，其主要意义在于为依赖葡萄糖供能的组织提供能量[11]。但Wang等[12]采用GC-MS方法研究铅、镉胁迫下萝卜根系内氨基酸类代谢物的变化，结果表明铅胁迫（1 000 mg/L）下，异亮氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸含量降低。在镉离子胁迫（400 mg/L）下也得到了相似的结果，甘氨酸、苏氨酸、脯氨酸、丙氨酸、焦谷氨酸盐5种与重金属解毒有关的氨基酸类代谢物含量降低。这可能与高浓度金属离子暴露下SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性有关[13-14]。另有郭山在Cd2+胁迫下（0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L）研究凤眼莲体内和根系分泌物中氨基酸类代谢物的变化[15]。在凤眼莲根系分泌物中检测出甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等13种氨基酸类代谢物，在体内检测出14种。与根系分泌氨基酸的组分相比，除苯丙氨酸为额外鉴定出的氨基酸，其余氨基酸种类相同，但其体内氨基酸总量高于根系分泌氨基酸总量，茎叶内氨基酸总量要高于根部，这可能与Cd2+主要富集在凤眼莲的根部有关。

目前，较多研究中涉及的差异氨基酸种类较少，其他种类氨基酸的作用机制还有待于进一步研究。

2 有机酸类代谢产物与重金属胁迫

植物叶片与果实中的有机酸参与呼吸作用和光合作用，还参与合成氨基酸、酚类、酯类和芳香物质等代谢过程。植物根系分泌的有机酸在土壤养分的活化、吸收过程中也起到重要作用[16]。

柠檬酸、草酸以及苹果酸属于低分子量有机酸，含有几个碳原子组成的碳链和一个或多个酸性官能团羟基，可携带一个或几个负电荷[17]。在铜离子胁迫下黄瓜体内有机酸类代谢物的响应研究中，与对照相比，在10 mg/L和20 mg/L铜离子处理下，柠檬酸下调可能是为了降低黄瓜组织中铜离子的溶解、吸收和转运速率，也可能是因为三羧酸循环（TCA循环）中代谢发生变化[18]。赵丽娟等[19]实验也表明，在土壤镉离子含量5.0 μg/g培养条件下，运用气相质谱联用的方法检测到菠菜和玉米幼苗体内的柠檬酸和苹果酸两种差异代谢物含量显著下调。苹果酸和柠檬酸主要在线粒体中通过三羧酸循环产生，是植物体内TAC循环中两种主要的有机酸，也是重要的金属配位体。通过参与重金属的吸收、运输、贮存和解毒等生理代谢过程，将离子态的金属转变成低毒或无毒的螯合态，从而减轻过量金属对植物的毒害效应[20]。

除柠檬酸和苹果酸外，草酸也在多个重金属胁迫下代谢组学研究中被确定为差异代谢物。有研究通过LC-MS/MS方法，在受到镉离子胁迫的凤眼莲体内鉴定出7种有机酸[15]。茎叶部有机酸以草酸、柠檬酸和苹果酸为主，随着镉处理的浓度升高，柠檬酸和苹果酸含量显著下调，这与上述研究结果一致，但其草酸含量略有波动且维持在较高水平。推测镉胁迫对茎叶内主要有机酸的影响表现为抑制柠檬酸和苹果酸的积累，促进草酸的积累。随后，在其根系分泌物的检测鉴定中发现，随着镉处理浓度的升高，草酸分泌呈现出先增后减而后趋于稳定的趋势，在Cd2+浓度为1 mg/L时分泌量达到最大，说明镉的加入可能迫使凤眼莲根系分泌更多的草酸，但当浓度达到较高水平时，分泌量不会持续增加，而是稳定在一定范围，由此推测可能是因为激活了自我保护的机制[15]。

水杨酸是一种脂溶性有机酸，曾有Zhao等研究表明，在铜处理（10 mg/L、20 mg/L）下水杨酸被鉴定为差异代谢物，且其浓度分别是对照组的13和26倍[18]。在重金属胁迫时，水杨酸可能作为植物内源激素以及信号分子激活植物的防御功能。同时，水杨酸可显著降低铜胁迫下水稻体中丙二醛和H2O2的浓度，以此减轻铜对水稻的伤害。

目前，研究主要集中在小分子量有机酸，大分子量有机酸的响应机制还有待进一步研究。

3 糖类代谢产物与重金属胁迫

糖代谢在整个植物代谢中处于中心位置，既为保障植物正常的生长和发育提供能量、构建碳骨架，又联系着植物体内蛋白质代谢、脂类代谢、核酸代谢及次生物质代谢等。此外，糖类物质还在调节渗透压、基因调控[21]、信号传递[22-23]等方面也发挥重要作用。重金属胁迫会刺激植物体内的糖代谢发生改变。

糖类化合物能够为微生物的生长提供碳源，使根系周围的微生物数量、活性远大于非根际环境，而大量活跃的微生物可以把根系分泌的大分子物质转化为可活化重金属的小分子物质，而且其自身分泌的有机质也可活化重金属[24]。罗庆[25]研究了不同铅浓度胁迫（10 μmol/L、50 μmol/L、200 μmol/L 和1 000 μmol/L）下东南景天内糖类代谢物的变化，推测其对重金属的响应机制。结果表明，伴随着铅浓度的升高，根系分泌物中的半乳糖、葡萄糖、麦芽糖等糖类代谢物表现出先上调后下调的变化趋势。可能的原因是在低浓度下东南景天通过增加以上糖类分泌来活化根系周围的铅，提高富集效果。但铅浓度累积到一定程度时，东南景天又通过减少这些糖类的分泌来减轻铅对东南景天的毒害效应，以保证东南景天在高浓度的铅胁迫下能够正常生长[25]。另有赵丽娟的研究得到相似结果，低浓度镉胁迫下，菠菜和玉米幼苗内与能量代谢相关的葡萄糖、蔗糖、半乳糖等糖类化合物含量显著上调[19]。铅胁迫下（1 000 mg/L）萝卜根内果糖、葡萄糖、半乳糖含量升高，但镉胁迫下（400 mg/L）3种糖类代谢物的含量却呈现出降低的趋势。推测可能是同种植物在应对不同种重金属胁迫时其糖酵解循环存在差异性，也可能与重金属的胁迫浓度不同有关，其可溶性糖的响应机制有所不同[19]。

可溶性糖含量激增是植物体内在重金属胁迫下一种典型的应激反应。植物会发生一系列的抗逆性反应，如产生活性氧、信号转导及与抗逆相关的蛋白和代谢物[26]，这些反应的维持均需要糖类化合物提供大量的能量。糖代谢又关联着氨基酸、有机酸代谢，所以会间接影响植物体的整体代谢系统。另外，植物受重金属胁迫时，可溶性糖具有渗透调节作用，维持细胞膨压并保护植物的细胞膜和蛋白质[27]。目前，对重金属下植物体内糖类代谢物的研究主要集中在可溶性糖对植物体内的影响，其他糖类代谢物及响应机制有待进一步探索。

4 其他代谢产物与重金属胁迫

在重金属胁迫下植物代谢组学的研究实验中，检测鉴定出的代谢产物有多种类别，除以上列举外，还存在有机醇、胺类等代谢产物。

李雪妹[28]在铅胁迫（100 μmol/L）下水稻幼苗多元醇代谢物变化的研究中，鉴定出以肌醇为代表的6种有机醇含量升高。肌醇参与多种代谢调节，如植酸存储物质的合成、调节植物细胞抗逆性、促进种子脱水和调节植物生长素、还参与细胞壁的合成[27]。这与此前的镉胁迫下，玉米幼苗和菠菜体内肌醇含量升高的代谢组学实验结果一致[19]。以此同时，发现镉胁迫的玉米幼苗中还存在抗逆相关物质腐胺的含量累积。腐胺是一种多胺类物质，能调节植物的生长、发育，提高植物的抗逆性，是由TCA循环中的酮戊二酸衍生化而来，重金属胁迫对植物产生毒害作用，引起了腐胺变化来抵抗逆境[29]。

近年来，在甘露醇相关研究中，林立东等[29]运用气相色谱质谱法分析低浓度（0.25 mg/L、0.50 mg/L）、高浓度（1.50 mg/L、3.00 mg/L）铜胁迫下羊栖菜体内代谢物的变化。结果表明，高浓度铜胁迫下甘露醇含量降低，推测甘露醇是作为可混合溶质，被用作羟基自由基清除剂，参与细胞中活性氧（ROS）清除的过程，对氧化胁迫起到解毒的作用。对于低浓度铜胁迫，可能对细胞透性未发生显著伤害，所以羊栖菜藻体内甘露醇的含量没有显著下调的趋势[30]。

植物对重金属胁迫的代谢反应较复杂，目前的研究主要集中于氨基酸、有机酸、糖类和少量多元醇等代谢物，其他代谢物对植物体的整体代谢影响有待于深入研究。

5 结语

代谢组学技术在植物重金属胁迫研究领域中已经取得了一些进展，拓展了对于植物耐受重金属胁迫响应机理的认识。然而对于多样复杂的应答胁迫代谢机制来说，目前的认识远远不够。因此，将植物的生长生理指标与代谢组学相结合，并开展更多植物种类应答胁迫的代谢组学研究，将代谢组学与转录组学、基因组学以及蛋白质组学等其他组学相结合，建立基因和代谢产物之间的完整网络关系，进而从基因、蛋白和代谢角度全面阐述植物代谢规律。系统全面地认知植物应答胁迫的代谢规律和响应机制将有助于植物抗逆性改良并保障生产力的提高与稳定。总之，随着科学技术的发展以及植物学研究的不断深入，代谢组学技术将会在植物应答重金属胁迫研究领域发挥更大的作用。