氮素与植物镉胁迫响应的研究进展

毕景文，刘 秒，刘秀成，王玉婷，李春阳

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 311121)

镉是一种高毒性的有害重金属.近年来，由于人类活动的加剧，土壤镉污染日益严重.镉胁迫能够抑制植物光合作用，诱导活性氧的产生，改变酶的活性和碳氮的平衡，进而抑制植物的生长和代谢[1-2].不仅如此，镉也能够通过食物链的富集危害动物和人类的健康.因此，修复镉污染的土地、提高中轻度镉污染土壤植物生长和作物安全已经成为农林业发展亟需解决的问题.

植物修复由于花费低、适应性广和无二次污染被认为是修复土壤重金属的一种有效的生物技术手段.然而，植物修复由于生长周期长，对土壤环境要求比较苛刻，具有很强的季节依赖性等特点，使其很难在农田和食物相对短缺的地方大量开展.近年来，通过合理的养分管理正确处理矿质养分和镉之间的关系被认为是一种费用低、周期短、效率高的利用植物修复镉污染土壤的技术措施[3-4].施肥影响根际微生物的组成、根系生长和植株地上部生长，从而改变土壤镉的有效性，进而影响镉的吸收和积累[5-7].在矿质元素中，氮素是植物必需的大量营养元素.氮素营养既是植物体内重要的结构物质，又是植物体内调控生化反应的关键物质酶的主要成分[7].氮素的施用提高植物对镉胁迫的耐性.我们课题组前期的研究发现氮的施用增加青杨雌株镉的耐性，缩小雌雄青杨对镉胁迫的性别差异性响应[8-9].因此，氮肥的合理施用能够有效地调控植物对镉的吸收和耐性.本文综述了镉胁迫对植物氮代谢以及氮肥施用对于镉吸收的影响，并探讨了其在农林业中的应用前景.

1 镉胁迫对植物生长的影响

作为植物非必需的高毒重金属元素，镉离子被吸收后会产生一系列毒害效应(图1)[10].镉能够降低叶绿素的含量、光合速率、碳的固定，从而抑制植物的生长.通常，植物根系是最先与镉接触的部位也是最先遭受镉毒害的部位[11].镉毒能够降低白根和侧根的数量，使根系变短变粗、颜色加深，根系活力降低，进而影响植物对养分和水分的吸收[12].随着镉向地上部分的转运，镉毒进一步表现为元素(Fe、P等)失衡、营养失调，叶片失绿、卷缩，叶柄叶脉变红等毒害症状[1,13].镉通过阻碍植物根系对其他营养元素的吸收、转运和分布，导致植物体内养分平衡破坏；另外，镉通过抑制气孔开放，破坏水分平衡、卡尔文循环、光合作用、碳水化合物代谢过程[1,11,14]，改变植物体内氧化还原状态.镉还可通过刺激还原型辅酶Ⅱ酶活性，诱导活性氧过量积累，导致细胞内超氧化物、H2O2积累以及脂质过氧化[15]，此外，尽管镉能够促进植物螯合肽合成，但是由于合成螯合肽的谷胱甘肽的增加，可能导致谷胱甘肽耗竭，而谷胱甘肽是维持细胞氧化还原平衡的重要代谢物[16].

图1 植物主要镉胁迫示意图Fig.1 Schematic summary of major cadmium stress mechanisms of plants

2 镉胁迫对植物体内氮代谢的影响

NR, 硝酸还原酶; NiR, 亚硝酸还原酶; GS, 谷氨酰胺合成酶; GR, 谷胱甘肽还原酶; GS-GOGAT, 谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶; Cys, L-半胱氨酸; GSH, 谷胱甘肽; PCs, 植物络合素; PCS-Cd, 植物螯肽合成酶-镉; NADPH, 磷酸酰胺腺嘌呤二核苷酸; GSSG, 氧化型谷胱甘肽.

图2 镉胁迫下氮(N)同化途径示意图
Fig.2 Schematic representation of major points of coordination nitrogenassimilation pathway potentially involved in the counteractionof adverse effects of cadmium stress in plants

研究发现镉胁迫干扰植物氮的代谢过程(图2)[17-19].镉胁迫对植物氮代谢的影响取决于植物种类、年龄和镉胁迫的时间.镉胁迫下，植物可通过维持正常的氮代谢水平提高对镉的耐受性[17-18].硝酸盐被植物吸收后，被转运到地上部，在叶片中硝酸盐通过硝酸还原酶还原成亚硝酸盐，然后在亚硝酸还原酶的作用下还原成铵.此后，在质体或者叶绿体中，通过谷氨酸合成酶/谷氨酸合成酶循环将铵同化成氨基酸.镉胁迫抑制硝酸盐转运体如NRT1.1的活性，从而抑制硝酸盐的吸收；同时镉胁迫降低氮代谢同化过程的一些关键酶如硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性，降低根系对硝酸盐的吸收及其向地上部转运，抑制或破坏植物对硝酸盐的利用[18,20].镉胁迫条件下，植物体内GS-GOGAT循环活性降低，NADH-GDH途径中氨同化活性也受到抑制[21].利用放射性标记的(15N)铵和(15N)谷氨酸示踪剂，结果发现，谷氨酰铵合成酶和谷氨酸脱氢酶在镉胁迫下植物氮循环中发挥着不同的作用[16]，而谷氨酰铵合成酶和谷氨酸脱氢酶代谢抑制势必影响植物的生长和发育过程.

3 氮素对植物镉胁迫响应的调控

图3 氮素对植物镉胁迫的响应Fig.3 Possible mechanisms of nitrogen in reducing cadmium stress in plants

研究表明，镉胁迫下，通过适当补充氮素能够提高植物对镉污染土壤修复效率，被认为是植物修复重金属污染土壤的重要策略之一(图3)[3].氮素对植物中镉胁迫的保护作用主要涉及抗氧化和镉的脱毒等过程[5,7,18].氮素能够通过植物生物量增加或减少叶片脱落等稀释植物体内镉浓度，降低镉毒性.另外，氮素能够提高植物根系对必需元素的吸收和叶片对镉的区隔来降低镉的毒害作用[19,22].氮代谢一些物质如自由氨基酸，能够作为一种信号物质通过参与植物镉胁迫下渗透调节、自由基的清除、离子运输和气孔开放的调控等来实现镉的解毒[1,18-19].总之，通过适当补充氮素能够改善植物毒害状态，提高光合效率、维持植物养分平衡等过程提高对镉胁迫的抗性[8,23].

3.1 氮素与镉的吸收、转运和阻隔

3.2 氮素对镉胁迫下离子平衡影响

镉胁迫破坏植物体内离子的平衡状态.镉能够与其他的营养元素如Ca2+、Mg2+、Fe2+竞争质膜上相同的转运位点，植物对镉的吸收势必干扰对其他养分离子的吸收、转运、分布，从而导致养分失衡[14,18].植物体内锰、铁、镁、硫、磷浓度降低是镉胁迫抑制叶片光合和植物体生长的主要原因之一[33].镉胁迫下添加氮素营养可充分调控植物体内离子平衡，从而促进植物镉耐性[4,34].镉胁迫下氮素与镉离子相互作用，通过增加Ca2+、Mg2+、Fe2+的吸收、积累，可减少镉离子的吸收和积累，提高植物对镉的耐性[34-35].氮素对根系中K+、Ca2+、Na+和Mg2+的浓度无显著影响，但显著影响了这些阳离子在叶片中的浓度[36].

3.3 氮素对镉胁迫下植物渗透势调控

3.4 氮素对氧化损伤和抗氧化酶活性的影响

尽管镉不能直接参与植物氧化还原反应，但可以诱导氧化损伤破坏植物内稳态.镉胁迫能够激活植物细胞NADPH氧化酶，导致过氧化氢、过氧化物、超氧自由基等活性氧类物质(ROS)的积累以及膜质过氧化[15].为保护植物免受镉胁迫诱导氧化损伤，植物通过积累、合成不同抗氧化物质提高镉的耐性[19].其中有许多含氮化合物.例如，Gouia 等[40]研究表明镉胁迫下，氮素施用增强细胞中含氮物质如脯氨酸、天冬酰胺、蔗糖、葡萄糖等的积累，提高植物对镉的耐性.另外，氮素能够通过降低丙二醛浓度来提高植物对镉的耐受性[41].Hassan 等[42]研究表明，镉胁迫下氮素的添加通常会降低丙二醛的积累.氮素诱导的丙二醛下降是由于含氮化合物的增加导致的，这些化合物可通过稳定大分子、维持体内活性氧平衡和抵抗植物细胞中氧化还原电位变化来改善植物对镉胁迫的适应.综上所述，氮素诱导和刺激抗氧化防御系统来保护植物大分子免受活性氧的侵害，提高植物对镉的耐受性.

3.5 氮素形态对植物镉耐性的影响

表1 氮素形态对植物生理指标的影响Tab.1 Effect of nitrogen forms on physiological indicators

4 结论与展望

镉胁迫降低植物氮的吸收和同化，且可能会因为与镉之间的交互作用在氮吸收、利用、易位方面发生变化或通过降低相对生长量来降低植物对氮的需求.镉胁迫下，根际镉形态与浓度、施氮形态和植物种类对氮素营养的影响存在较大差异.低至中等镉胁迫下，增加氮素供应可以有效改善镉胁迫对植物生长的影响.在镉胁迫程度较高的情况下，充足的氮素可以在一定程度缓解土壤的镉胁迫效应，而过量氮素会造成土壤过量氮污染环境.

了解镉胁迫下氮源及氮代谢对植物镉耐性研究具有重要意义.镉胁迫下植物对氮素的响应随植物种类、性别、生长阶段、土壤类型等因素而变化，我们仍需进一步研究，以发现氮素对镉胁迫的缓解作用对不同植物种类、性别、土壤类型等因素的影响；并确定特定物种和生长调节的最佳氮利用率，通过合理的养分管理正确处理植物氮素和镉胁迫之间的关系，促进植物对镉的吸收，利用植物更好地修复镉污染土壤.