植物根系限制重（类）金属吸收/转运的因素及其机制

刘梓清，杨继刚，吴子涵，李增飞，宋变兰，冯人伟*

（1. 福建农林大学资源与环境学院环境微生物研究所，福建 福州 350002；2. 航天建筑设计研究院有限公司，北京 100071）

采矿、冶炼、电镀、农业施用化肥等人类活动已向环境释放了大量有害的重（类）金属，导致了严重的环境污染问题[1]。植物特别是农作物体内大量富集的重（类）金属存在“通过食物链进入人体并对人体产生危害”的健康风险[2]。农作物大量吸收重（类）金属后会产生毒害效应，导致农作物减产[3]。例如，镉（Cd）对植物的毒害作用主要表现为：抑制生长[4]；破坏叶绿素结构，在植物体内造成氧化胁迫并抑制硝酸还原酶活性[5]；减少根系对水分和养分的吸收[6]；引起根尖细胞分裂出现障碍或不正常分裂[7]，导致根系质膜透性增大、根系活力下降；破坏细胞核核仁结构，干扰DNA的代谢，导致染色体和分子变异并使RNA合成受阻[8]。

植物对重（类）金属的吸收效率主要与土壤中重（类）金属存在的形态有关，土壤中呈溶解态的重（类）金属才能被植物吸收[9]。在上述过程中，植物根系具备一些相应的机制来降低其对重（类）金属的吸收富集，从而减少重（类）金属对植物的毒害作用。当前关于植物吸收、转运重（类）金属（特别是Cd、As）的相关机制的研究已获得较大突破，按离植物根系空间距离可分为如下几个方面：1）远离根系因素的影响，主要包括：根系分泌物、土壤基本理化性质、土壤中的微生物和动物等。这些因素相互作用，通过吸附/解吸、沉淀、络合等作用从而影响土壤中重（类）金属的生物有效性，最终影响植物对重（类）金属的吸收；2）根系外观形态变化，植物会主动/被动改变其根系形态以适应外界的不利环境，主要降低细根数量和根表面积从而降低有害重（类）金属的吸收几率；3）发生在植物根表或细胞内的束缚作用，其主要有根系铁膜（根表面）束缚、根系细胞壁束缚、凯氏带阻隔、液泡区隔化等；4）离子间的竞争作用，主要发生在根表吸附位点的竞争（水生植物铁膜，陆生植物根表）、离子通道竞争吸收等；5）参与重（类）金属吸收、转运基因的表达，这些基因编码的蛋白对重（类）金属的吸收和转运有重要作用。因此，本文从如下几个方面对植物根系限制重（类）金属吸收、转运的因素及其机制展开论述，包括：根系外（根系分泌物）——根系外观（根系整体形态变化）——根表（铁膜吸附固定作用、发生在根表的离子竞争吸附/吸收作用、细胞壁束缚作用）——根系细胞内（凯氏带阻隔作用、发生在细胞膜表面的竞争吸收作用、液泡区隔化作用）——地上部分（木质部转运限制）。本文可为降低植物中重（类）金属富集相关技术的研发提供理论依据。

1 调节植物根系分泌物，螯合重金属降低其有效性

植物根系可通过向生长介质分泌相关分泌物来适应外界环境[10]。植物根系分泌物分为低分子量和高分子量分泌物。低分子量分泌物主要有糖类、有机酸、酚类和各种氨基酸；高分子量分泌物主要包括粘胶和酶，其中粘胶有多糖和多糖醛酸。植物根系可通过调节根系分泌物的种类和数量来调控重（类）金属的吸收，其机制主要包括：1）改变根际pH值[11]；2）与重（类）金属离子竞争土壤中的吸附位点；3）形成螯合物从而影响重金属在土壤中的吸附、解吸过程[12-13]。一些分泌物如金属结合蛋白、部分有机酸可通过螯合重金属将其固定，降低植物对这些重金属的吸收。例如：根部根冠细胞、次生壁表皮细胞、根毛分泌的粘胶质可以与重金属离子Pb、Cd等络合形成螯合体，再将其固定[12]。但是，植物根系分泌的一些有机酸还会活化土壤中的重（类）金属离子，从而增加植物对重（类）金属的吸收。例如：植物根系分泌的低分子量有机酸可以与土壤中的Cd螯合形成“Cd-低分子量有机酸”复合物，从而促进土壤中Cd的释放和Cd向植物体内转运[14]；植物根系分泌的麦根酸等有机小分子物质与Cd络合，可以使Cd以络合物形式由YSL转运蛋白运输进入根系细胞[15]。

2 改变植物根系形态，降低植物对重（类）金属吸收的几率

植物根系对外界信号的响应主要通过调控侧根的发生、分化及生长来实现（图1）[16]。植物通过改变根系形态来应对相关胁迫，根部较高的比表面积和更多的根尖数量有利于植物对元素的吸收[17]。例如，报道表明：缺磷（P）植物通过增加侧根数量和根长促使植物对P的吸收[18]。在重（类）金属胁迫下，植株根毛以及根尖数量减少，导致根表面积减少，从而减少植株对重（类）金属的吸收[17]。研究发现：过量的Cd显著降低植株根长、表面积和根尖数量，但增加了根的直径[19]。而对超富集植物而言，例如超富集植物东南景天能发展出较好的根系形态（较多的根尖数、根比表面积等），从而获得更高的Cd富集能力[20]。较高剂量的硒[Se（IV）]通过促进水稻的粗根比例，减少细根数量和根的表面积，从而抑制Cd的吸收[19]。

植物根系形态与根系激素含量有关[21]。植物体内包含的激素主要包括：生长素（IAA），细胞分裂素（CTK），赤霉素（GA），乙烯，脱落酸（ABA），水杨酸，茉莉酸（JA）等。植物体内的生长素可影响根伸长、根的向重力性、根毛发育、侧根生成等[22]。有研究发现，不定根的产生主要受生长素的调节[21]。外源添加生长素促进Cd胁迫下的水稻根系初生根、不定根和侧根的伸长生长，并增加侧根的数量[23]。赤霉素对侧根发育无影响或影响甚微，乙烯则通过调控生长素的代谢对侧根的发生起到一定作用[16]。细胞分裂素可抑制侧根的发育[24]。脱落酸通常被视为侧根发育的抑制物质，但适量脱落酸有利于侧根发生，其作用主要取决于生长素类物质的含量水平[25]。

3 形成植物根系铁膜

一些水生植物体内能形成通气组织，其将大气中的氧气运输到根表，从而将二价铁离子氧化成三价铁，然后三价铁在根表沉积最终形成两性胶体（铁氧化膜）（图1）[27-28]。植物根系的伸长区、根毛区以及靠近根基部分的铁膜较多[29]，其同时带有正负电荷，对土壤中阴、阳离子都有一定的吸附作用[30]。根系铁膜的形成与土壤溶液中铁（Fe）浓度[31]、根系泌氧量[32-33]、植物种类及生长的环境有关。同时研究发现根系形态也会造成铁膜数量的差异，比表面积小的根系铁膜数量也相对较少[34]。

根系铁膜一方面可作为一个富集元素的库，另一方面可作为一个物理屏障从而阻止元素进入植物体。研究表明，水生植物根部表面形成的铁膜能在一定程度上固定重（类）金属，减少重（类）金属对于植物的毒性。例如：研究发现[35-36]水稻根表铁膜对Cd、Pb能够产生富集作用，阻碍其向植物根系细胞内转运；水稻幼苗Se含量与根表铁膜形成密切相关，其可以抑制Se从根向地上部分的转移[37]。

4 根系表面离子间的竞争性吸附

土壤中的金属离子进入植物根系细胞前要接近植物根系表面，在这一过程中会发生根系表面交换吸附。例如：植物呼吸释放出的CO2和土壤溶液中的H2O生成H2CO3，其解离后形成H+以及HCO3-，Cd2+和H+发生交换吸附进入根系表皮细胞，这种交换吸附不需要能量，可以快速进入根部表皮细胞并以质外体途径在细胞中运输[38]。在上述过程中，其他阳离子可与Cd离子形成竞争性吸附，降低Cd进入植物细胞的几率。

5 根系细胞壁对重（类）金属的阻隔与吸附固定

研究发现：植物根系细胞壁积累了植物根系中70% ～ 90%的铜（Cu）、锌（Zn）和Cd，表明植物根系细胞壁在阻碍重金属进入细胞内部的过程中起到重要作用[39]。植物细胞壁由初生壁、次生壁以及胞间层组成（图1）。细胞壁主要组成成分有多糖、蛋白质、木质素以及水分，其中多糖分为纤维素、半纤维素、果胶。初生壁由纤维素分子形成的微纤丝与半纤维素以氢键相互联结，后嵌入果胶中复合而成[40-41]。在植物细胞停止生长后开始合成次生壁，木质素以酯/醚键的形式与半纤维素或果胶交联，形成的木质素-多糖复合体包裹着微纤丝骨架，沉积在初生壁内侧[40]。细胞壁形成的上述交联网络控制着细胞生长的大小和形状，与根系的发育、应对重金属胁迫有很大关联性[42]。此外，一些伸展蛋白也参与了细胞壁重建，例如：富含亮氨酸重复结构的伸展蛋白（LRX），其可能参与细胞壁组分（例如果胶）的交联；在拟南芥中，有11种LRX蛋白，其中LRX3，LRX4和LRX5是参与植物生长和细胞壁形成调节的蛋白质[43]。

5.1 通过增加细胞壁厚度减少重（类）金属进入细胞的几率

非生物胁迫下细胞壁通过半纤维素和木质素的沉积来增强次生细胞壁的厚度，1）直接诱导细胞壁蛋白相关基因的表达从而增加木质素含量，如扩张蛋白或者漆酶基因等[44]；2）诱导过氧化物酶（POD）、肉桂醇脱氢酶（CAD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、漆酶（LAC）等酶类的活性，使木质素单体聚合，从而积累木质素[44-45]。研究结果表明，Cd的渗透能力在木栓质和木质素含量较高的根中较低[46]。植物体根系产生的木质素和软木脂可以降低细胞壁的通透性，从而降低Cd的吸收和转运。Li等[47]的研究发现，Cd胁迫下的东南景天（Sedum alfredii）细胞壁的果胶、半纤维素含量会增加，从而提高Cd固定能力；在华中蹄盖蕨（Athyrium wardii）中，Pb和Cd胁迫下细胞壁会产生更多的果胶和半纤维素Ⅰ来提高重金属离子固定能力以缓解毒性[48]；红树耐金属能力与木质素和木栓素含量有关，木质化和木栓化的外皮层可以减缓重金属进入根的速度[49]；大豆（Glycine max）根系施加0.2～1.0 mmol/L的Cd会使其根系细胞壁木质素含量增加[50]；暴露于Cd环境下的单子叶药用植物plumbea根中木栓质含量显著增加，其可能在防止Cd渗透到细胞中起到作用[51]；抗铝（Al）的小麦品种增加根系细胞壁中果胶和半纤维素含量，从而缓解Al胁迫[52-53]。

5.2 细胞壁组分相关基团对重金属的束缚作用

植物细胞壁上富含的多糖和蛋白质分子含有大量重金属配位基团[54]，其能阻止重金属离子进入细胞内部。

5.2.1 细胞壁多糖富含的基团 细胞壁多糖中果胶的羟基[55]，以及纤维素和半纤维素中的羧基是重金属离子的主要结合位点，此外，还有醛基、巯基以及磷酸基团等[47,56]。果胶可通过如下几个方面的作用来阻碍重金属离子进入细胞内部。

1）果胶是一种具有高结合能力的多糖，果胶组分中富含带负电荷的游离羧基，其是金属离子的主要结合位点[55,57]。果胶中游离羧基的含量不仅与果胶含量有关，也与果胶的甲酯化程度密切相关。甲酯化程度低的果胶，游离羧基较多，阳离子吸附位点也较多。研究发现小麦根系细胞壁缓解Al毒胁迫主要是通过Al与果胶的结合[52-53]。果胶甲酯酶（PME）能够去酯化，从而提供大量带负电荷的游离羧基，增加细胞壁与金属离子结合的能力[58]。许多金属离子，例如Cu和Pb与果胶的亲和力高于钙（Ca），上述金属可以取代Ca与果胶结合[55]，导致Pb在细胞壁中经常形成大量的沉积物[59]。报道表明，Ca与Cd竞争细胞壁多糖结合位点，减少Cd进入植物细胞的几率，从而减轻Cd对植物造成的伤害[60]。

2）果胶可通过降低细胞壁的孔隙度来降低金属离子通过细胞壁进入细胞内的几率[60]。低甲基化果胶可以通过两个游离羧基与Ca进行桥接，使细胞壁网格更加紧密。Gabriel等[61]研究发现，低温诱导的PME活性增加可能导致细胞壁中Ca离子桥的形成增加，从而降低细胞壁的孔隙度。

5.2.2 细胞壁的多肽及蛋白 植物体内与细胞壁相关的蛋白质高度多样化，包括：伸展蛋白，扩张蛋白、受体蛋白，以及其他蛋白。1）重金属胁迫可诱导细胞壁蛋白相关基因的高表达，比如扩张蛋白或者漆酶基因[44]，导致细胞壁重塑，最终影响细胞壁对重（类）金属离子的固定。例如，Cd处理后，马洋地（Digitaria ciliaris）和水稻（Oryza sativa）细胞壁中一些与富含半胱氨酸蛋白（DcCDT1和OsCDT1）相关的基因会上调[62]。Cd和Cu处理使豌豆（Pisum sativumL）根中过氧化物酶、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、抗坏血酸过氧化物酶、针叶醇过氧化物酶、NADH氧化酶和吲哚-3-乙酸（IAA）氧化酶活性提高[63]。这些酶在抗氧化、木质化和生长素降解等过程中具有一定作用，从而间接影响了重金属吸收过程。2）细胞壁中一些酶蛋白可以直接与重金属离子结合。例如：在Pb胁迫下，大蒜（Allium sativumL）根系细胞壁富含半胱氨酸的蛋白含量增加，其可能与Pb结合从而将Pb离子固定[64]。Cd胁迫能触发富甘氨酸蛋白（cdiGRPs）的积累，这些细胞壁蛋白可能参与了正向调控胼胝质合成的过程[65]。3）还有一些酶蛋白通过各种催化反应从而影响重金属的吸收。例如：果胶以高度酯化形式从共质体分泌到质外体，然后在果胶甲酯酶（PEM）的作用下产生大量的游离羧基，这些羧基可与金属有限阳离子结合，增加其在细胞壁内的富集[66-67]。

5.2.3 与细胞壁磷酸盐结合 有研究推测，Cd在根部细胞与不溶性磷酸盐结合，形成不溶的Cd-磷酸盐复合物，极大的限制了Cd向地上部分的转运[68]。对于一般植物来说，当环境中Cd浓度过高会超出根部细胞壁结合重金属能力限值。此时细胞壁固定重金属能力降低，通透性增加，会造成大量重金属离子向细胞内迁移。研究发现芹菜在Cd的胁迫下，C2H5OH提取态Cd所占比例达到最高（62.30%）而HAc提取态Cd含量低，这表明芹菜根系细胞壁中难溶性磷酸盐的含量较低，从而影响Cd在根系细胞壁中的固定，使大量Cd进入胞内[69]。研究表明蜈蚣草吸收的Cd在细胞器中含量较少而多存在于细胞壁当中，矿山生态型蜈蚣草根系细胞壁中Cd的占比高于非矿山生态型，同时发现随着环境中Cd浓度的增加，蜈蚣草根系组织中不可溶的磷酸盐-Cd复合物含量显著增加，这也进一步表明通过根系中磷酸盐复合物的增加是矿山生态型蜈蚣草耐受性的机制之一[68]。

6 凯氏带的阻隔作用

元素在根系主要的运输方式有共质体和质外体运输，内皮层凯氏带能阻断皮层与维管柱之间物质的质外体运输（图1）。凯氏带是植物根系应对重（类）金属胁迫的重要保护屏障，元素在通过质外体进入维管柱的过程中，很大部分会被凯氏带阻隔、并沉积在皮层细胞间，仅有少部分会到达维管柱，然后被转移到地上[38]。凯氏带由木质素和木栓质组成，是内皮层发育的初级阶段[70]，它的成熟过程是木质素以及木栓质不断积累的过程[71]。研究发现Cd及其螯合物只能通过没有凯氏带的根部皮层进入木质部[72]。拟南芥木质素上调基因突变体证明，沉积在细胞壁中的木质素含量对水和离子的径向运输具有决定性作用[73]，该突变体根部大量积累的木质素减少了流入到木质部的溶质以及茎中Ca、锰（Mn）、锌（Zn）的含量[73]。

7 离子通道的竞争性吸收

有害的金属元素可利用特异性低的植物必需金属元素（例如Fe、Zn和Ca）的离子通道进入植物细胞内部。Cd可通过Zn转运蛋白和Ca转运蛋白以共质体途径运输[74]。调控Fe的转运体IRT1还可以参与Cd的转运[75]。花椰菜（Brassica oleraceavar. botrytis）根系中，Ca的运载体系可能参与了Cd的吸收转运过程，二者形成拮抗，Cd阻碍了植物对Ca的吸收转运[76]。Ca浓度提高显著抑制天蓝遏菜（Thlaspi caerulescens）对Cd的吸收[77]。Zn和Cd的化学性质相似，Zn的转运蛋白ZNT1、ZNT5和MTP1具有装载、运输Cd的能力[78]。Zn抑制了植物根部对Cd的吸收；但是Cd吸收的Km值比Zn低两个数级，上述结果表明：相对Zn来说，Cd更加易于转运[79]。

8 液泡区隔化作用

液泡区隔化作用是抑制重（类）金属离子在植物体内运输的最有效机制之一。游离的金属离子进入液泡后与液泡中的糖类、有机酸、有机碱以及植物螯合肽（PCs）等螯合，从而滞留在液泡中。影响液泡重（类）金属离子滞留的因素主要有如下几种：1）细胞液泡的分隔容量大小[80]；2）胞质和液泡溶液中的螯合物、硫化物含量；3）液泡膜上的转运蛋白。

植物体内合成的PCs可与Cd螯合并隔离到液泡当中，从而降低Cd的毒性。植物螯合肽合成酶基因的显著表达增强了植株对于Cd的耐受性[81]。研究发现，PCs和Cd形成的PCs-Cd复合物分为高分子量复合物和低分子量复合物，Cd在液泡中主要以高分子PCs-Cd螯合态存在于液泡中[82]。部分PCs-Cd会分解并释放出其中的巯基（-SH）物质和Cd，后者可与无机硫化物或磷酸根离子结合生成沉淀[83]。Cd与磷酸根结合形成的不溶Cd-磷酸盐复合物强烈限制了Cd向地上部分的转运[84]。液泡中的部分Cd会通过一些转运通道被排出液泡。研究发现NRAMP基因调控的巨噬细胞蛋白可以将Cd从液泡中排出，它的同源基因AtNRAMP3和AtNPAMP4蛋白表达也可以使Cd向细胞质排放[85]。

ABC转运蛋白作为一种跨膜转运蛋白，可将金属螯合物转运至液泡中，例如：ABC家族的HMT1在可以将PCs前体以及Cd-PCs转运到液泡中[82]。此外HMA也是非常重要的转运蛋白，其中HMA3受AtHMA3（拟南芥）和OsHMA3（水稻）基因的编码，它是一类利用ATP水解产生能量使离子进行跨膜运输的离子泵，可以将共质体中Cd转运到液泡中[86]。阳离子逆向运输蛋白（CAXs）是定位于液泡膜上的蛋白，CAX2和CAX4可以将Cd转运并且固定在液泡中[84,87]。此外，CAX4通过提高Cd2+与H+的交换量和交换速率，促进液泡中Cd的积累[87]。

9 根茎滞留作用

除了根系细胞壁以及液泡阻隔作用外，减少重金属离子向地上部转运也是植物适应重金属胁迫的一个重要机制，Salt等[88]发现，ABA诱导的叶片气孔关闭显著降低了印度芥末地上部分中Cd的积累。木质部的运输能力以及木质部中Cd装载能力是影响根茎转运、植物籽粒茎叶Cd浓度的重要因素[89]。

质膜上面的一些转运蛋白是影响木质部装载能力的重要因素，最典型的跨膜转运蛋白有HMA蛋白。水稻OsHMA2蛋白的表达可以使谷粒中Cd含量减少，它主要参与Zn、Cd由根到地上部分的转移[90]。AtHMA2和AtHMA4是调控拟南芥中Cd从根向茎转移相关蛋白的基因，可以增强根系Cd耐受性[91-92]；除此之外，YSL转运蛋白也可以参与金属离子根茎间转移。天蓝遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）根部TcYSL3、TcYSL5和TcYSL7基因调控的转运蛋白是重金属离子向木质部导管运输的重要载体[93]。此外，Cd木质部运输机制可能受GSH含量的调控，谷胱甘肽本身也是一种重要金属络合物[94]。在一些植物中，Cd-PCs复合物是Cd在植物体内运输的形态。向Cd胁迫下的水稻、马蔺和多年生黑麦草生长介质中额外添加BSO（其通过抑制PCs的前体GSH的合成从而抑制PCs的合成）的试验发现[95-96]：BSO降低植物地上部PCs含量，同时其也减少了地上部的Cd浓度，上述结果表明，PCs的合成能够影响水稻植株中Cd向地上部的转运。然而，有研究表明，Cd与植物螯合素的结合对茎的木质部转运几乎没有影响[97]。

10 总结和展望

重（类）金属在作物中的积累最终会影响人体健康。因此，研究植物体内重（类）金属解毒机制以及其转运机制对于降低重（类）金属在农作物体内的吸收富集，从而降低其导致的健康风险具有重大意义。重（类）金属胁迫下，植物根系一方面通过调节外部环境，另一方面通过调节自身状态来适应外部的不利条件。植物通过根系分泌物改善土壤理化性质、根际状态进而影响重（类）金属离子可溶性状态来影响重（类）金属的有效性。而湿地植物能生成根系铁膜阻止重（类）金属进入植物根系细胞。植物根系细胞壁上的蛋白以及多糖的基团可以有效束缚重金属离子。进入根系细胞后，重（类）金属离子还会与植物螯合素或者有机酸等结合被储存在液泡中，根系液泡的滞留作用不仅降低了重（类）金属毒性而且也是阻碍其向地上部转运的重要机制。内皮层成熟的凯氏带阻隔作用也是一种重要的抑制重（类）金属转运的屏障，其通过阻止重（类）金属向木质部运输进而阻止其向地上部转运。

当前，虽然植物根系在阻碍以阳离子形态存在的重金属吸收、转运等方面已获得较大进展。植物细胞壁中的纤维素、半纤维素、果胶和结构蛋白等大分子物质中含有很多负电基团（如羟化物、羧基、醛基、氨基以及磷酸基等）, 其可以和金属阳离子发生各种物理、化学反应而将其固定于细胞壁中。但是关于细胞壁与阴离子形态存在的类金属吸收之间关系的研究还较少，其机制还不清楚，例如砷、锑、硒等。