植物细胞壁对有害金属与盐分耐受性作用研究进展

肖京林，覃 美，凌桂芝，黎晓峰

（1.广西大学农学院/广西甘蔗生物学重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西大学农牧产业发展研究院，广西 南宁 530004）

在多变的自然环境中，植物会遭受各种各样的非生物胁迫。非生物胁迫因素如温度、盐分、干旱、土壤重金属等都会影响作物生长，并导致减产［1］，而随着工业化的不断发展，农业土壤环境污染问题也变得日益严重，土壤的重金属污染和盐渍化问题表现突出［2］。重金属污染会降低根际土壤的微生物多样性［3］，有害金属离子对细胞的毒害主要表现为抑制叶绿素的合成，影响叶片光合作用，并导致叶片褪色；金属离子还会与养分离子转运蛋白结合，影响蛋白质的结构与功能并抑制养分的吸收运输；有害金属离子在细胞体内过量积累还会导致电子传递受阻，气孔关闭，细胞内蛋白质变性以至细胞伸展功能和保护受限制，严重抑制作物的生长并导致减产；同时，金属离子会通过食物链在人体内富集，危害人类健康［4］。盐渍化的土壤由于盐分过高，主要引起渗透胁迫，外界环境渗透压升高，导致根细胞对水分吸收受阻和细胞内水分倒流，致使植物细胞脱水和细胞膨压降低，影响细胞壁的伸展性而最终抑制细胞的延伸和生长［5］，同时盐胁迫还会影响土壤养分的有效性，从而影响植物对水分和养分的吸收［6］，导致作物出现生理性干旱，影响正常的生理代谢［7］。有害金属离子和盐分胁迫均会导致过多的活性氧（ROS）积累，而当细胞内ROS积累量超出植物防御能力后，会导致膜透性降低，使蛋白质结构功能发生改变甚至失活，并对DNA造成永久性损伤，导致死亡［8］。

植物在长期胁迫的环境下，也进化出了一系列抵抗这些非生物胁迫的机制。细胞壁作为植物细胞抵抗外界环境胁迫的第一道屏障，在细胞响应外界逆境胁迫时起着至关重要的作用。细胞壁组分的果胶和半纤维素具有大量的羧基基团，这些基团吸附并区隔化固定金属离子，减少有害金属离子向原生质体的运输，从而减少有害金属离子对细胞的毒害。此外，细胞壁蛋白也是感受有害金属离子胁迫信号刺激的所在位点，且细胞壁蛋白上的氨基能与有害金属离子相结合，从而提高植物对有害金属耐受性，细胞壁上的一些酶蛋白也会通过调节果胶的甲酯化和半纤维素的乙酰化从而调节细胞壁对有害金属离子的集合能力。植物细胞壁在盐胁迫下也会产生相应的应答反应，植物对盐胁迫的耐受性与细胞壁的扩展蛋白基因的表达密切相关，盐胁迫下植物能通过扩展蛋白所控制细根尖细胞壁的伸展从而维持根的生长。同时，扩展蛋白还能参与调节细胞壁松弛和延伸性，并增加细胞壁的韧性，从而缓解因水分胁迫对细胞造成的压力，维持细胞正常生长，提高植物对盐分的耐受性［9］。对于逆境胁迫下，植物如何有效吸收养分和提高养分利用率或提高耐受性，从而达到逆境胁迫下的高产、稳产的目的始终是植物营养学和植物生理学领域的研究热点，特别是近10年来，植物适应逆境胁迫的分子机制被越多越多分子生物学领域的研究团队所关注，关于细胞壁对环境胁迫的应答机制的研究也变得愈发炙手可热。本文综述了植物细胞壁及其组分在抵抗有害金属和盐胁迫方面的最新研究进展，以期引起广大研究者对植物细胞壁抵抗逆境胁迫作用的重视。

1 植物细胞壁的组成成分

植物细胞壁的组成成分主要包括多糖、木质素和蛋白质，是一种复杂的多层黏质结构，能固定细胞的外形，提高细胞的机械强度。植物细胞壁可以分为初生壁与次生壁，初生壁主要由半纤维素、纤维素、果胶和糖蛋白组成，是最初形成的且未通过次生增厚的细胞壁；次生壁主要由纤维素、半纤维素、木质素构成，是植物细胞通过次生增厚后在初生壁内侧形成。胞间层是相邻的植物细胞的细胞壁之间所形成的间隙。

纤维素是细胞壁中的主要成分，是存在于初生细胞壁和次生细胞壁中的一类多糖，构建细胞壁基本骨架。纤维素作为一种多糖物质，由β-1,4糖苷键相连接，由纤维素合成酶作用合成。半纤维素也是细胞壁的主要多糖，以氢键与纤维素相连接，包括木葡聚糖、半乳酸醛糖、多缩阿拉伯糖等。果胶是细胞胞间层的主要成分，也是一种结构十分复杂的多糖成分，包括鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ和同型半乳糖醛酸聚糖。

细胞壁的蛋白主要为结构蛋白，这类蛋白是糖基化形成的蛋白，主导了细胞壁的主要生理生化反应，参与了细胞壁的信号传递、结构组分修饰等。伸展蛋白作为一类细胞壁结构蛋白，在植物细胞的抗逆性和细胞生长中起重要作用。此外，细胞壁中还存在一些酶蛋白，这些酶按照其功能的不同，大致可以分为3种，与细胞生长过程有关酶、水解酶、氧化还原酶。

2 细胞壁在植物有害金属耐受性中的作用

2.1 细胞壁果胶在植物有害金属耐受性中的作用

植物细胞壁多糖上的基团对金属元素能够起到固定的作用［10］。近年来细胞壁果胶对重金属抗性的研究一直备受关注，细胞壁多糖组分的果胶因富含大量的羧基基团且解离后带负电荷，能够与金属阳离子相结合［11］，从而减少金属离子向细胞内的运输。研究表明，铝胁迫能显著抑制南瓜主根生长，并使根细胞壁的果胶含量显著提高［12］。烟草细胞悬浮培养时，近80%的Al是结合在细胞壁果胶中，并且随着铝浓度增加，果胶含量也增加［13］。对玉米的研究发现，铝胁迫下敏感型的玉米根尖果胶含量更高，且与果胶结合的铝含量也更多［14］。Konno等对蕨类植研究发现，铜主要结合在细胞壁果胶的同型半乳糖醛酸聚糖上［15］；进一步研究发现，Cu主要被积累在剑叶舌叶藓的原丝体的细胞壁中，其中43%的铜会被细胞壁果胶的同型半乳糖醛酸聚糖结合［16］。为了进一步确认细胞壁果胶和重金属的关系，研究者用果胶酶分解小麦细胞壁的果胶，发现去除果胶后，小麦细胞壁对重金属Al的吸附显著降低，证明果胶的确能与Al相结合［17］，对细胞壁进行酯化改性去除部分羟基官能团后，根细胞壁对Pb的吸附量相对降低了68.1%，用果胶酶改性去除部分果胶和通过甲基化改性去除部分氨基的细胞壁，对Pb的吸附量相对降低48.9%与41.1%［18］。同样经酯化改性、氨基甲基化改性和果胶酶改性后，小飞蓬根细胞壁对Cd的累积吸附量分别相对降低49.1%、38.5%和26.1%，利用FTIR分析了小飞蓬的根和叶细胞壁上Cd吸附位点的官能团后，发现在小飞蓬根、叶细胞壁吸附镉的过程中，羟基、羧基和氨基都是镉的主要结合位点，而果胶主要提供羟基官能团与Cd相结合［19］。进一步研究发现果胶的甲酯化程度影响到对金属的结合，如石竹根细胞细胞壁的果胶甲酯化程度越高，细胞壁结合的Cu含量越低，反之亦然［20］；亚麻的下胚轴细胞壁中低甲脂化的果胶是Cd的主要结合位置［21］。对不同年限设施菜地番茄细胞壁果胶Cd累积的研究发现，番茄茎和叶片中果胶含量及PME活性与细胞壁Cd累积量呈正相关［22］。对芹菜根细胞壁镉吸附动力学研究发现，利用果胶酶对根细胞壁改性处理后，细胞壁的果胶质含量会降低，细胞壁对Cd的吸附能力也降低了40.5%［23］。对不同Al抗性大麦品种的研究发现，根尖细胞壁的果胶甲酯酶参与大麦Al抗性的调节［24］。降低果胶甲基化程度及去除半纤维同样能够显著降低海州香薰根细胞壁对Cu的吸附，红外光谱分析结果显示，果胶提供的羟基基团和半纤维提供的羟基基团是Cu的主要集合位点［25］。对甘蔗锰毒的研究发现，果胶是甘蔗叶片Mn的主要细胞壁结合位点，且锰胁迫会增加果胶的积累并激活果胶甲酯酶，降低果胶甲酯化程度，从而提高甘蔗对 Mn 的抗性［26］。

2.2 细胞壁半纤维素在植物有害金属耐受性中的作用

半纤维素在高尔基体上合成，包含葡萄甘露聚糖、木聚糖及木葡聚糖等一系列不带电荷、中性或微酸性的多糖，以往被认为其与金属离子的结合能力比带负电荷的果胶更弱，然而研究发现果胶与半纤维素之间存在着共价键相连接，半纤维素与金属离子的结合位点可能被果胶的半乳糖醛酸掩盖［27］，因此导致半纤维与金属离子的结合能力被低估。

用果胶酶分解细胞壁的果胶后，虽然细胞壁对金属Al的吸收能力有所下降，但是细胞壁的Al含量仍较高［17］。进一步研究发现，用沸水有效去除拟南芥细胞壁果胶成分后，细胞壁铝含量降低并不显著，而去除细胞壁的半纤维素后，细胞壁的铝含量仅剩不到5%［28］，证明半纤维素是拟南芥积累Al的主要细胞壁组分。NO也能通过促进水稻根细胞壁半纤维和果胶含量的增加，从而增加细胞壁的Cd积累并减少镉向地上部运输，提高Cd耐受性［29］。生长素能通过NOA途径作用于NO上游从而降低细胞壁木葡聚糖含量，减少细胞壁中的Al含量，使得更多Al进入根系细胞内，导致拟南芥Al耐受性降低［30］。

木葡聚糖作为半纤维素主要成分，在金属胁迫中尤为重要，拟南芥的木葡聚糖内源转糖苷酶（XTH）的突变体XTH31，与野生型相比突变体的拟南芥更耐铝胁迫，原因是突变体中XTH基因突变导致的根细胞中木葡聚糖的合成降低，而促使细胞壁结合铝的能力降低［31］。同样在含铝的培养液中外源添加了木葡聚糖后，利用27Al-核磁共振证明了Al能木葡聚糖相结合，从而导致根系对Cd的积累减少，降低了Al毒害［32］。

乙酰化修饰在植物细胞壁抵抗非生物胁迫中起着十分重要作用［33］。拟南芥木葡聚糖0-乙酰化程度降低的axy4-1、axy4-3两个突变体与野生型相比，果胶含量、果胶中的Al含量和半纤维素含量基本没有差异，但由于木葡聚糖0-乙酰化程度的降低而增加Al在细胞壁和根系中的积累，降低了Al的抗性。

拟南芥岩藻化的木葡聚糖含量降低的axy3.2、axy3.3两个突变体与野生型相比，果胶含量、果胶中的Al含量和半纤维素含量都基本没有差异，而由于岩藻化的木葡聚糖含量降低导致细胞壁结合的Al减少，更多Al进入细胞中，最终导致突变体Al抗性降低［30］。

2.3 细胞壁蛋白在植物有害金属耐受性中的作用

植物在受到金属胁迫后，细胞壁蛋白基因会快速表达，产生的相关蛋白能将金属离子固定在细胞壁中，减少金属离子进入细胞内，从而调节植物有害金属耐受性［34］。细胞壁的蛋白中的氨基能与金属离子相结合，提高植物耐受性［35］。水稻根尖细胞壁中富含羟脯氨酸的糖蛋白含量会因铝胁迫而显著增加并将Al3+固定在细胞壁中，从而减轻Al毒害［36］。大蒜在铅胁迫下，根细胞壁富含半胱氨酸的蛋白会显著增加并与铅离子结合，将铅离子固定在细胞壁中，从而减轻毒害［34］。对细胞壁关联蛋白激酶（WAK）的研究发现，OsWAK11基因沉默的水稻突变体会对过量的铜胁迫变得十分敏感，而且铜胁迫下细胞壁的果胶和半纤维素含量会降低，果胶甲酯酶活性降低，细胞壁甲酯化程度提高，从而降低细胞壁对Cu的结合能力，使更多Cu能进入细胞内［37］。

果胶甲酯酶作为一种细胞壁蛋白，在果胶去甲酯化中起重要作用，能将果胶转化成富含甲氧基的基团结构，其活性与细胞壁的pH以及结合于果胶的阳离子有关［38］。超表达AtPME3的拟南芥的突变体相较于野生型，对Zn胁迫更为敏感，这是由于突变体细胞壁蛋白质在经过高尔基体运输时受干扰，从而影响到细胞壁的合成，最终导致细胞壁控制的细胞生长受到显著抑制［39］。与Al耐性的水稻相比，Al敏感型水稻具有更高的PME活性［40］。进一步的研究发现低浓度Al处理时，Al敏感型水稻根系伸长抑制率达40%且根尖的8个PME家族基因表达上调，而相同的低浓度Al处理时，耐性品种水稻根系伸长不受影响，且有相同的6个PME基因表达上调，选取其中表达上调的基因OsPME14在耐性品种水稻中进行超表达，发现突变体的PME活性提高并且细胞壁对铝的结合量也增加，并导致突变体水稻相对野生型对铝胁迫更加敏，由此证明了PME能够调控植物铝抗性［5］。

有害金属离子胁迫下，细胞壁果胶含量增加，PME活性也增强，调节果胶甲酯化程度，增加细胞壁对有害金属离子结合能力，除此之外，半纤维素含量和半纤维修饰程度的改变都会影响细胞壁结合能力，从而降低金属离子毒害（图1）［26］。

图1 细胞壁结构Fig.1 Structure of the cell wall

3 细胞壁在植物盐分耐受性中的作用

3.1 细胞壁扩展蛋白在植物盐分耐受性中的作用

盐胁迫下植物能通过扩展蛋白控制细根尖细胞壁的伸展从而维持根的生长。扩展蛋白作为一类富含羟脯氨酸的细胞壁糖蛋白，参与调节细胞壁松弛和延伸性，增加细胞壁的韧性，从而缓解因水分胁迫对细胞造成的压力，维持细胞生长［41］，因此扩展蛋白在植物抗盐分胁迫中起着重要作用。扩展蛋白家族成员可分为α-扩展蛋白家族（Exp1～Exp5）和β-扩展蛋白家族（ExpB1～EXpB8），这两类扩展蛋白均能使细胞壁松弛。

盐胁迫下玉米叶片细胞的纵向伸长与扩展蛋白基因ZmEXPA1的表达上调密切相关［42］。用聚乙二醇处理模拟水分胁迫。100 mmol/L NaCl胁迫下，盐敏感型玉米品种茎中ZmExpB2、ZmExpB6、ZmExpB8基因均表达下调，且茎生长受到抑制，EXPB的丰度降低，而抗性玉米品种的茎生长不受影响，EXPB丰度保持稳定且ZmExpB2、ZmExpB6、ZmExpB8表达上调，因此认为盐胁迫下玉米叶片的生物量降低与EXPB扩展蛋白的表达量降低密切相关［43］。过表达AtEXP3、AtEXP-β1都会导致拟南芥对盐胁迫更加敏感，不同的是AtEXP3过表达会使拟南芥积累更多的活性氧，而过表达AtEXP-β1会使突变体中胁迫响应的基因COR15a和K1N1的表达水平降低［44］。扩展蛋白基因家族的成员众多，功能也存在差异，盐胁迫下某些扩展蛋白基因的表达会增加植物对盐胁迫的耐受性，但也有一些扩展蛋白基因的表达会增加植物对盐胁迫的敏感性。在盐敏感的玉米品种中，盐胁迫会使β-扩展蛋白含量降低，ZmExpB2、ZmExpB6和ZmExpB8的表达下降，而盐抗性品种中，β-扩展蛋白的含量保持不变，但ZmExpB2、ZmExpB6和ZmExpB8的表达上调维持了盐分胁迫下的β-扩展蛋白的稳态，促进细胞膨大从而提高细胞盐分抗性［45］。

3.2 细胞壁变化在植物盐分耐受性中的作用

盐分主要以离子态的小分子形式存在，会使活性氧（ROS）积累从而引起酚醛树脂和细胞壁伸展蛋白的交联，最终导致细胞壁硬化［47］，细胞壁的变化在植物的抗逆性中起着重要作用。SOS信号转导途径是植物一种重要的耐盐机制，SOS基因介导信号转导过程有6个关键基因SOS1、SOS2、SOS3、SOS4、SOS5、SOS6，其中SOS6和果胶生物合成酶（AtCSLD5）能通过其合成的壁聚合物调节细胞表面产生ROS，拟南芥SOS6的盐超敏型感突变体中，AtCSLD5功能发生混乱，使得细胞壁发生缺陷，且ROS会更多的积累，导致氧化胁迫，从而使得突变体相较于野生型对盐胁迫更为敏感［46］。中科院植物逆境中心赵春钊研究组鉴定出了植物细胞壁的L-阿拉伯糖（Ara）代谢的UDP-D-木糖-4-差向异构酶1（UXE1）的突变体对盐胁迫敏感，证明细胞壁的阿拉伯糖代谢在植物盐分耐受性中起着重要作用［47］。Endler等［48］鉴定出细胞壁纤维素合成酶复合体中的两种蛋白，其有助于复合体与微管连接，对植物提高盐分抗性十分关键。

盐胁迫下，植物细胞壁的变化是如何被植物所感知并提高植物耐盐性呢?近期中科院上海植物逆境中心朱健康团队发现，正常条件下，拟南芥细胞壁中富含亮氨酸的重复伸展蛋白（LRX）3/4/5与多肽RALF22/23相互作用，从而防止RALF22/23与定位在质膜上的受体类激酶（FER）结合，最终抑制FER蛋白的内化。而盐胁迫下，重复伸展蛋白（LRX）3/4/5能直接感知细胞壁中盐诱导变化，并且RALF多肽和LRX蛋白会发生解离以将细胞壁信号转导至FER蛋白上，以抑制FER介导的植物生长途径。因此LRXS蛋白可通过与多肽RALFS以及受体激酶FER形成一个共同协调细胞壁完整性和盐胁迫反应的信号通路，最终启动盐胁迫的反应机制［49］。

4 展望

植物细胞壁对非生物逆境胁迫的应答是一个十分复杂的生理生化过程，植物细胞壁对金属离子的区隔化固定能够减少金属离子向原生质体的运输，从而减轻有害金属离子对植物的毒害。细胞壁对有害金属离子的结合能力大小取决于细胞壁各组分负电荷量。细胞壁扩展蛋白基因的表达受盐分胁迫的诱导，不同的扩展蛋白基因的作用时不同的，某些扩展蛋白基因的表达会增加植物对盐胁迫的耐受性，但也有一些扩展蛋白基因的表达会增加植物对盐胁迫的敏感性。扩展蛋白还能通过促进细胞膨大从而有助于细胞吸收水分，增强植物盐分胁迫的耐受性。细胞壁的变化也在植物盐分耐受性中起着重要作用，盐分胁迫下，植物细胞壁的变化能被植物所感知从而使植物启动耐盐胁迫的反应机制。

目前植物细胞壁应答非生物逆境胁迫的机理研究已经取得长足进步，蛋白组学、分子生物学等新技术手段被更多地应用在该领域的研究中。今后的研究应更关注植物细胞壁是如何感受非生物胁迫信号的刺激，如何传导刺激信号最后激活植物抗逆性反应机制等方面。