苔藓植物响应重金属胁迫的研究进展

陈璇 刘祥龙 唐婷，2

（1. 湖南科技大学生命科学学院，湘潭 411201；2. 湖南科技大学经济作物遗传改良与综合利用湖南省重点实验室，湘潭 411201）

重金属污染限制了土地资源的有效利用和作物的地理分布，近年来这一环境问题已成为国内外普遍关注的热点［1］。矿山开发形成大量的损毁林地，植被破坏，土壤退化，生态系统破坏十分严重。随着工农业发展，土壤重金属污染逐渐严重，且其污染具有隐蔽性、持久性和累积性的特点，有害重金属可以通过土壤-作物系统进入食物链并且严重威胁着动物和人体的健康［2］。植物修复技术具有成本低，不破坏土壤组成，重金属可循环利用和美化环境等特点，筛选和培育具有超富集和耐受重金属胁迫的植物是防治重金属污染的主要解决途径［3］。因此，加强重金属污染地区的生态修复建设迫在眉睫，而寻找合适的植物修复材料非常关键。

苔藓植物在进化树上处于一个非常特殊的位置，它既有水生藻类旺盛的繁殖再生能力，又已进化出高等植物对陆地环境的适应机制。苔藓植物具备配子体和孢子体的世代交替现象，其配子体叶片仅由单层细胞构成，输导组织不发达，无维管束结构，缺乏真正的根系不利于从土壤基质中吸收营养［4］。苔藓植物角质层比较低等，个体矮小，但它的相对体表面积较大，有较好的静电吸附能力，特殊的生理结构使其对环境中的重金属离子非常敏感［5］。研究发现丛藓科和真藓科的多种苔藓植物生活在布满铜绿的矿岩石上，其中少数物种生活在含氧化铜的矿土上，表明多数苔藓植物耐受重金属的能力强于陆地上其他高等植物，具有地下矿产的生物指示作用［6］，因此被建议用作生态修复和生物探矿的理想材料［7］。本文综述了重金属胁迫对苔藓植物生理生化活动的影响，苔藓植物从生理生化水平如何积极响应重金属胁迫，并对苔藓植物可为重金属污染地区进行生态修复提供理想材料和生物监测方法进行初步探讨。

1 重金属胁迫对苔藓植物生理生化活动的影响

重金属在植株体内积累超过一定含量时，使生命大分子物质如蛋白质，脂质和核酸等发生降解，诱导活性氧物质的产生，破坏细胞代谢活动导致细胞死亡［8］，最终对植物体产生毒害作用。苔藓植物对环境中重金属胁迫具有高度敏感性，环境中重金属胁迫主要通过抑制光合系统，破坏细胞内超微结构和诱导细胞膜脂过氧化等影响其生理生化活动。

1.1 抑制光合系统

光合作用是植物赖以生存的基础，也是植物对环境胁迫最敏感的生理过程之一［9］。叶绿素荧光检测技术是一种衡量植物光合效率和光合系统稳定性的关键技术，能在一定程度上反映环境胁迫对植物光合作用的影响，并且与植物对环境胁迫的耐受性紧密联系［10］。研究发现植物的净光合速率，最大光合效率和有效光合效率在重金属锰胁迫处理下受到显著的抑制［11］。苔藓假根太短而不能接触到土壤深处的重金属，因此假根只能作为监测水生环境中重金属含量的研究对象，而苔藓配子体叶片可以依靠快速而非破坏的叶绿素荧光成像技术来反映环境中重金属胁迫的严重程度［12］。例如，薄网藓（Leptodictyum riparium）配子体在镉处理后，其潜在的最大光合效率（Fv/Fm）明显下降，说明其光合作用被镉抑制［13］。

叶绿素作为植物吸收和传递光能的重要色素，叶绿素含量和光合参数的变化可以用来表征植物组织受损伤的程度［14］。苔藓植物受重金属胁迫后，与其他陆生高等植物一样［15］，其总光合色素水平显著下降［16］，表明其光合器官受到严重伤害，叶绿素发生降解。研究者们通过3种苔藓植物对镉胁迫的耐受性比较发现，叶绿素含量和类胡萝卜素含量下降越显著其耐受性越弱［16］。叶绿素a与叶绿素b含量的比值，是用来衡量植物受金属胁迫影响的重要指标，重金属胁迫能够促进叶绿素a转变为叶绿素b，并且使叶绿素a/叶绿素b的比值明显降低［17］。例如，在铁超富集植物金钱草（Scopelophila ligulata）中铁含量与叶绿素含量密切相关，进一步分析发现叶绿素b含量与铁含量呈现负相关的趋势，而叶绿素a和类胡萝卜素含量不受铁离子含量的影响［18］。

苔藓植物叶绿体类囊体膜上有多个蛋白质复合体和超复合体［19］，高浓度重金属环境会诱导光系统中捕光叶绿素蛋白质复合物解聚，使叶绿素含量降低，显著抑制光合速率和气孔导度［20］。柏状灰藓（Hypnum cupressiforme）在重金属胁迫下，捕光色素蛋白LHCB（PSII light-harvesting chlorophyll a/b binding protein，LHCB），PSII放氧复合体蛋白和RuBisCO激活酶蛋白表达下调，限制光能吸收及PSII中能量转移，抑制暗反应从而降低卡尔文循环，最终抑制光合作用［21］。

1.2 破坏胞内超微结构

重金属会对苔藓植物胞内结构造成有害影响，导致细胞质壁分离和细胞壁增厚［13］。重金属所引起的损伤，大多与膜损伤有关，因此膜结构丰富的细胞器会受到严重损害。细胞损伤最严重的细胞器是叶绿体和线粒体，镉阻碍了叶绿体的分裂和扩张，也影响了细胞器的形状和类囊体系统的排列［22］，叶绿体基粒肿胀，同时细胞中央大液泡出现颗粒状沉淀［23］。例如，薄网藓在亚致死浓度的铜、锌、镉和铅4种不同重金属离子处理后，利用透射电子显微镜观察发现，叶绿体的超微结构发生了不同程度的改变和破坏，其中镉对叶绿体结构影响最严重［24］。研究者们进一步观察了重金属污染严重地区薄网藓细胞超微结构发现，细胞壁由于重金属离子的长期影响而加厚，细胞壁具有严重的裂缝，叶绿体膨胀增大变形，基质上含有很多较大的脂肪颗粒，并且在细胞质中检测到了多层的脂质油滴，但细胞核和线粒体超微结构所受影响较小［13］。刺疣藓（Taxithelium nepalense）叶绿体膜和类囊体膜明显被铅和镉破坏，导致叶绿体超微结构发生了显著的变化［25］。薄网藓在镉处理后，细胞出现质壁分离，并且有部分细胞质空泡化，基粒和基粒间类囊体虽然存在于叶绿体中，可见弥漫性胀大，线粒体结构也发生了改变，嵴膨胀，基质透明，细胞内观察到沉淀的电子致密物质［26］。

1.3 诱导膜脂质过氧化

当苔藓植物处于重金属环境下，细胞内自由基代谢平衡被破坏而引发氧化胁迫。以镉为例，在植物细胞中，即使在低浓度下，Cd2+仍然具有很高的毒性，与其他金属不同的是，Cd2+并不直接通过Fenton/Haber-Weiss反应诱导氧化应激，而是扰乱细胞整体氧化还原平衡，从而影响活性氧（Reactive oxygen species，ROS）水平［26］。尽管Cd2+不具有氧化还原活性，但它仍会导致活性氧的产生并且降低活性氧的清除能力［27］。细胞膜系统是氧化损伤的主要靶点，导致膜脂发生过氧化反应生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）。MDA可以和细胞内氨基酸、不饱和脂肪酸和蛋白质等生物大分子物质发生反应，致使生物膜系统发生过氧化损伤，最终破坏膜系统结构和影响膜的生物学功能［28］。MDA含量高低常作为重金属胁迫下，反映膜脂过氧化程度的生化指标。在重金属处理后，苔藓植物MDA会随重金属浓度升高而升高［29］，膜质过氧化程度逐渐加重表明植物受重金属毒害越来越严重，导致细胞膜系统稳定性也随之下降。例如，重金属污染严重地区薄网藓ROS含量比污染较轻的地区增高了26倍［13］。此外，复合重金属胁迫在诱导苔藓植物启动氧化损伤具有协同效应［30］。

2 苔藓植物对重金属胁迫的响应策略

尽管重金属对苔藓植物生长发育和各项生理生化活动有着不利影响，但自然界中有多数苔藓能在高浓度的重金属环境中保持生长、发育和繁殖，说明苔藓植物在长期的进化过程中逐步形成了比较完善的耐受重金属的机制。

2.1 吸附特性

苔藓植物体矮小，结构简单，无真正的根和维管束，体表无角质层，其特殊的构造使它具有很强的交换阳离子的能力［23］，可以高效的从环境中富集重金属。由于苔藓植物的多毛分支结构，苔藓植物具有很强的吸附金属离子能力［31］。曲尾藓和金发藓通过扫描电镜下可以观察到略显粗糙的细小绒毛，推测是由于所吸附在表面的金属微粒聚集而成［32］。苔藓植物对金属离子的吸附分为胞内吸收和胞外吸附［33］。不同种类的苔藓植物对同一金属离子的摄取能力差异显著，因为不同种类的苔藓植物结构和生物特性存在差异，还可能与细胞壁上特定的金属离子结合位点数量有关。已有研究发现来自不同地区的两种溪苔科植物对Cd2+的细胞壁吸附和胞内摄取能力存在显著差异，分析可能是由于两物种对Cd2+结合位点的数量，配子体叶片表面积和细胞壁组成成分不同而造成［33］。同种植物对不同的金属离子吸收能力也具有一定差异。例如，地钱属苔藓对Cu、Zn和Cd这3种重金属的都具有较强的富集能力，其中对Cd的富集能力最强［34］。地钱苔对镉、铅和锌3种重金属离子的组织富集和转运特性存在一定差异，其中铅呈现出最低浓度，90%含量的铅富集在假根中，进一步发现地钱苔组织中金属离子浓度与金属转运和增强毒性反应之间具有正向关系［35］。泥炭藓在重金属污染土壤中对Pb、Cu和Cd的富集含 量 分 别 为1 218 mg/kg、63.2 mg/kg和2.8 mg/kg，表明泥炭藓对Pb的富集能力最强，并且随着泥炭藓数目增多对重金属离子的吸附和转运能力越强［36］。

2.2 阻隔屏障

阻止重金属进入植物体内是多数高等植物的应激策略，而苔藓植物可以在细胞膜表面产生相应的屏障阻隔，将重金属离子有效的积累在特定区域从而限制重金属离子的跨膜运输，降低胞内重金属离子浓度，降低其对胞内重要结构和酶活性的破坏［20］。例如，匐枝青藓可以在600 mg/L浓度Pb下正常生长，其原因是配子体皮层组织薄壁细胞的细胞壁可以形成有效屏障，完成对Pb的有效阻隔，使大部分Pb沉淀在细胞壁中，从而减轻对细胞的毒害作用［23］。

2.3 启动氧化应激

重金属胁迫可激活ROS物质的产生和诱导氧化胁迫的形成［37］。苔藓植物通过合成抗氧化剂，包括抗氧化酶以及其他抗氧化分子，如过氧化氢酶（Catalase，CAT）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、抗坏血酸（Ascorbic acid，AsA）和谷胱甘肽或酚类代谢物等，以清除由于重金属胁迫所产生的ROS物质［38-39］。植物体内一个主要活性氧清除系统为抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环［40］。当重金属严重抑制植物生长和金属含量积累到一定程度时，水稻和油菜等高等植物中谷胱甘肽转移酶（Glutataione-S-transferases，GST）被激活，以减轻重金属的中毒症状［41-42］。苔藓植物面对重金属胁迫时，同样会作出响应，激活GST以促进ROS的猝灭，保护苔藓植物细胞膜结构和蛋白活性［26，43］。植物叶绿体和胞质中，抗坏血酸过氧化物酶（AsA-GSH，APX）是循环的关键酶［44］，AsA是植物细胞产生的一种基本的抗氧化剂，AsA可直接与活性氧反应将其还原，又可作为APX的底物在叶绿体类囊体表面作为还原剂清除活性氧［40，45］。柏状灰藓APX和醛酮还原酶（Aldo-keto reductases，AKRs）蛋白表达受重金属胁迫下调，说明其参与金属胁迫所造成氧化胁迫的脱毒作用受到影响［21］。

清除活性氧酶系统其他酶如CAT、SOD和POD在苔藓植物重金属胁迫的氧化应激中也起着重要的作用［46］。苔藓POD活性和CAT活性则表现为先上升再下降的趋势［47］，这说明过氧化酶活性的变化是苔藓植物自身的一种应激反应。Pb和Ni单独处理或复合处理都能使大灰藓（Hypnum plumaeforme）POD活性增强，说明POD在苔藓植物抵御由重金属胁迫引发的氧化胁迫发挥了重要的作用［46］。叶绿体中存在两个核基因编码的同工酶，即铜/锌SOD（Cu/ZnSOD）和铁SOD（FeSOD）［48］。扭口藓（Barbula unguiculata）Cu/Zn SOD基因受铜诱导表达，并且Cu/Zn SOD和Fe SOD表达在转录水平上受植物对重金属的富集能力的协同调控，其中顺式作用元件GTACT通过与转录因子PpSBP2（Squamosa promoter-binding protein，SBP）互作而负调控Fe SOD在铜胁迫下的转录水平，这套响应分子机制与其他高等植物拟南芥和烟草应对铜胁迫相似［48］，这说明苔藓植物中铜对GTACT元件依赖的转录抑制的分子机制在植物中具有保守性。另外，重金属还可引起细胞脂质发生氧化损伤［49］，但在叶绿体或者有色体中的质体球滴结构中，这些被破坏的脂质可以被循环利用来合成维生素E［50］，这类物质可以植物体帮助清除活性氧［51］，从而减轻重金属的毒性。

2.4 螯合作用

螯合作用是指重金属离子进入植物细胞后，通过植物螯合肽（Phytochelatins，PCs），金属硫蛋白（Metallothionein，MTs）和谷胱甘肽等物质与金属离子发生螯合作用降低重金属离子毒性的解毒机制。

植物螯合肽（PCs）是一种由谷氨酸、半胱氨酸、和甘氨酸组成的含巯基螯合多肽，其能和金属离子结合形成重金属PC螯合物［52］。PCs可通过半胱氨酸的巯基将镉或其他重金属离子区域化在液泡中，因此可在胞质环境中快速脱毒［53］。PCs通过GST激活在植物细胞质中组成型表达的螯合素合成酶而生物合成［54］。有研究报道薄网藓在轻微镉胁迫时，几乎监测不到螯合素，推测存在其他有效的脱毒途径，只有在高浓度的镉处理时，才会激活螯合素合成酶的活性，从而诱导螯合素的生成［26］。Petraglia等［55］验证了从低等的藻类开始植物就已经具备螯合素合成酶的相关基因，并且螯合素合成酶具有活性，陆地低等植物苔藓已经具有能合成螯合素的潜力，表明植物螯合素的合成能力以及植物螯合素合成酶活性的存在是陆生植物的祖先特征，产生螯合素表明苔藓植物响应重金属胁迫在进化上具有保守性。

MTs是一类小分子富含半胱氨酸的蛋白，广泛存在于所有真核生物和少数细菌中［56］。MTs在植物对重金属和其他非生物胁迫的适应过程利用Cys残基来螯合重金属，同时使植物免受氧化损伤［57］。大多数开花植物中存在4种类型MTs，其表达具有组织特异性，表明它们在植物中具有重要且非冗余的功能［58］。在高等植物如拟南芥、大麦和水稻中，MTs受Cu、Cd和Zn等重金属的调控［59-64］。通过对模式植物小立碗藓（Physcomitrella patens）进行蛋白序列分析发现，PpMT2序列和植物中第二种类型的MTs同源性比较高，容易受Cu和Cd诱导表达［65］。近年来从小立碗藓新鉴定了一个与植物第一种类型的MTs同源性较高的PpMT1蛋白，PpMT1在配子体衰老过程中高度表达，PpMT1有两种亚类，PpMT1.1a和PpMT1.1b受Cd处理后诱导表达，在酵母中异源表达能够提高对重金属胁迫的富集能力和耐受能力［58］。

谷胱甘肽是一类具有高稳定性和亲水性的巯基蛋白，在螯合重金属方面起重要作用。在重金属环境中下，谷胱甘肽能与重金属离子结合形成复合物，通过谷胱甘肽转移酶的作用将形成复合物会被运输到苔藓植物叶片的液泡中，从而保护植物细胞不受毒害［26］。谷胱甘肽除了参与清除ROS物质外，还能在苔藓和其他高等植物中作为镉脱毒的有效物质［26］。例如，薄网藓在即使比较轻微的镉处理下，也会诱导GST快速表达，合成大量谷胱甘肽，有效参与镉胁迫的脱毒螯合过程［26］。

2.5 诱导保护性蛋白

热激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）是植物在逆境下产生的应激蛋白，并通过分子伴侣机制保护处在逆境中的植物［66］。热激蛋白广泛存在于各种生物体内，受高盐、干旱、寒冷、重金属、臭氧和紫外线等非生物胁迫诱导表达［67］。苔藓植物中各种热激蛋白也被诱导表达，以应对重金属、氧化和渗透胁迫。诱导苔藓植物中的HSPs表达可以增强藓类对重金属的的抗性［13］。据报道，HSP70在广大生物中最保守，在重金属污染中发挥保护蛋白结构的重要功能［68］。薄网藓HSP70蛋白表达水平与毒性重金属含量呈现正相关的趋势，表明HSP70可能发挥了脱毒的保护性作用，参与修复和正确折叠受损蛋白质［13］。重金属胁迫导致薄网藓可溶性蛋白含量降低，使HSP70蛋白表达量明显增强，表明HSPs充当分子伴侣有助于提高苔藓植物对铅、镉、铜、锌等毒性金属离子的耐受能力［69］。尖叶美喙藓（Eurhynchium eustegium）比鳞叶藓（Taxiphyllum taxirameum）具有更高含量的光合作用相关蛋白，说明其对重金属胁迫的耐受性更强［70］。

3 苔藓植物对重金属污染的生物修复

每年我国因为采矿而废弃的其土地约为20 000 hm2，这造成了巨大的经济损失，而且由于缺乏绿色植被的保护，引起水土流失，土地荒废，长期下去将引起生态失衡，加速土地荒漠化。而苔藓是破损山体或坡面生态修复材料的很好的选择，并且具有以下独特优势：（1）苔藓对环境适应性强且培养成本低。苔藓是一类由水生向陆生过渡的高等植物类群，遍布除海洋外的地球上每个角落，甚至生长于荒漠、冻原及岩石上，耐旱、耐寒、耐贫瘠，适应力极强［73］。苔藓以无性繁殖为主，生长过程所产生的配子体通过打磨成碎片即可再生成新的植株，从碎片到生长成完整植株所需周期短。苔藓植物受病虫害侵袭较少，培养繁殖过程简单高效，所需生产成本较低。（2）苔藓是矿区的先锋植物。根据对我国多省大型铜矿和金矿生态环境破坏严重地区的植物资源调查发现，在维管植物很少存活的地方，却发现苔藓作为先锋植物生长，烂泥沟金矿区的中心区是破坏最严重的地方，除了零星的苔藓以外几乎看不到其他植物的生长［7］。（3）苔藓是理想的生态指示剂。苔藓植物叶片仅单层细胞构成，有比较好的静电吸附能力，因此对环境中重金属离子反应敏感强度高，只需监测矿区苔藓植物的生长趋势和重金属富集能力，便可以掌握当地受重金属污染的情况。利用藓袋法测定大气污染物的研究结果显示，暴露在空气中3个月以上的苔藓，其重金属含量与工业重金属污染或者城市重金属污染程度呈现正向相关的趋势［71-72］。因此，苔藓也可成为大气重金属污染程度的指示植物。

4 总结与展望

综上所述，重金属胁迫对苔藓植物的生长和发育过程造成了严重的影响，然而，在长期进化过程中，苔藓植物在形态构造，生理和生化活动等各个方面积极响应重金属胁迫，逐渐形成了自己独特的适应机制。苔藓虽个体较小且结构简单，但由于具有特殊的生理结构，以配子体占优势，不具维管组织，能适应各种极端环境。苔藓植物可以通过形成阻隔屏障，对重金属进行吸附，启动氧化应激，诱导保护性蛋白来适应重金属环境。值得注意的是，通过对苔藓植物的各项生理和结构特征及其他证据观察分析推测苔藓植物这一从水生向陆地进化的高等植物，其在耐重金属胁迫方面与低等藻类植物和陆地其他高等植物相比，具有一定的保守性。但是目前关于苔藓植物如何应对重金属的基因表达调控机制还有待进一步的研究。众多研究结果表明，苔藓植物对土壤重金属含量等自然条件较为敏感，可在重金属污染区域起生物指示的作用，其在环境监测中具有十分重要的作用，对人类探索治理重金属污染、净化生态环境具有一定的参考意义。