植物根系分泌物响应镉胁迫的研究进展

吴香， 李娟， 曹艳， 程艳荣， 闫旭宇，2*， 李玲，2*

（1.延安大学生命科学学院， 陕西 延安 716000； 2.延安大学陕西省红枣重点实验室， 陕西 延安， 716000）

土壤是重要的自然资源，是农业发展的基础，也是人类生产和生活的基本保障。工业革命以来，化学品的大量生产和使用、工业和城市废水的不合理排放，以及矿物和能源物质的无节制开采将大量有毒有害物质释放到环境中，成为土壤重金属污染的主要来源[1]。2014 年发布的《全国土壤状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中耕地土壤点位超标率为19.4%，在污染物中重金属镉的点位超标率最高，为7.0%[2]，由此可见镉污染对农业生产产生的巨大影响。镉在土壤中不仅难以消除，而且易被植物吸收，最终随着食物链进入人体，严重危及人类健康[3]。因此，在控制重金属污染的排放和输入的同时，提高处理和修复受污染土壤的有效性也极为重要。

根系分泌物是植物生长过程中根系不同部位向生长介质中分泌或释放的物质，其含量占净光合产量的21%[4]。根系分泌物是根与生长介质之间进行物质循环、能量流动和信息交流的重要媒介，其种类繁多，分类方法也不尽相同。根据早期Albert[5]对植物根系分泌物的定义，可将根系分泌物分为大分子有机物、小分子酸、激素、黄酮，甾醇等。现已发现根系分泌物的种类达200 余多种，除根系脱落物和粘胶类物质外，主要有糖类、氨基酸、有机酸、酶和其他化合物（包括激素、黄酮、类黄酮和异类黄酮等）[6]。根系分泌物有多种功能[7]，包括缓解环境胁迫对植物的伤害作用[8‑9]；促进根际有益微生物与根系的相互作用，抑制有害病菌对根系的侵害[10]；以及最早被发现的对周围作物和微生物产生的化感作用[11]。

目前，国内外学者利用植物根系分泌物中某些能活化和固定重金属的物质在植物修复方面进行了广泛探究，并对根系分泌物和根际微生物之间的募集关系以及根际微生物在土壤环境中的作用等进行了大量研究。Urska 等[12]发现，在重金属胁迫下植物会改变根系分泌物的组成和分泌量，根际微生物群落的组成和分布也会因此受到影响。根系分泌物和根际微生物的协同作用会改变重金属在土壤中的存在状态，或使其固定在土壤中，或增加其向植物的迁移。比如丛枝菌根真菌和镉的共同作用可增加玉米根系分泌的有机酸量，同时丛枝菌根真菌也能增加土壤对镉的吸附以及玉米对镉的吸收[13]。也有研究初步证明了根际微生物与植物间存在长久而固定的合作关系，这些微生物能促进植物生长并提高植物的重金属积累能力[14]。近年来，关于根系分泌物的研究成果呈迅速增加的态势，而国内外对根系分泌物研究的侧重点也有差异[15]。因此，本文就镉胁迫对植物生长发育的影响以及镉胁迫对有机酸、氨基酸和糖类等植物根系分泌物的影响进行简要综述，并总结根系分泌物在修复镉污染土壤中的作用，以期为从根系分泌物角度探寻高效经济的镉修复植物提供理论基础。

1 镉胁迫对植物生长发育的影响

镉作为非必需元素进入植物体内会与植物细胞核发生协同反应，破坏细胞结构，使细胞器功能紊乱，进而影响细胞内的生理生化反应，造成植物生长异常[16]。不同水平的镉处理对不同的植物种子影响不同。通常情况下，镉胁迫会导致植物种子发芽率下降，抑制根的伸长和芽的生长。研究表明，植物种子的根长和芽长在镉胁迫下表现出“低促进高抑制”的现象[17]。5、10 mg·L−1镉胁迫对玉米种子萌发和幼苗生长表现为促进作用，而20、40 mg·L−1镉胁迫则抑制玉米种子的萌发和生长[18]。同样，5 mg·kg−1镉胁迫促进小白菜种子萌发，而20 mg·kg−1镉胁迫则抑制小白菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数[19]。其原因可能是低水平的镉离子刺激植物产生抗逆性反应，促进了胚乳内部的生理生化反应，进而对种子萌发表现为促进作用，而高水平镉离子直接破坏了种子的防御机制，使胚乳代谢紊乱，严重可致死亡[20]。

植物地下部分的根与地上部分的叶和茎在镉胁迫下也表现出“低促高抑”的现象。随着胁迫加深，镉对植物的毒害作用愈重，主要表现在植物侧根生长受到抑制，主根僵硬、变褐甚至坏死，叶片卷曲黄化，气孔关闭，叶绿体降解，最终影响光合作用，直到叶片干枯植株死亡[21]。Sivakoti 等[22]研究表明，当土壤中的镉大于200 mg·kg−1时，显著降低了棉花的株高、叶面积、茎干重、棉铃数和棉产量，而镉小于200 mg·kg−1时，棉花具有耐受性。此外，镉毒性会抑制电子转移从而抑制光系统Ⅱ的光活化，并通过破坏叶片中的叶绿体间接促进活性氧的产生，进而影响植物的光合作用[23]。香樟树幼苗的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和瞬时水分利用效率都随着镉处理水平和时间的增加呈下降趋势[24]。淡水薇藻在镉环境中暴露72 h 后其细胞密度显著降低，在1.18 µmol·L−1Cd2+处理下，光化学反应显著下降，非光化学反应增加[25]。近年来有研究发现，镉胁迫能显著降低龙葵和小白菜的生物量，但对棉花的生物量没有显著影响[26]；也有研究证明了棉花的耐镉作用[27]。由此可见，探究棉花等非食用型经济作物的根系分泌物在修复镉污染土壤中的作用，结合新兴的植物修复手段有助于攻破镉污染这一难题。

2 根系分泌物对土壤镉胁迫的响应

2.1 有机酸

有机酸是一些具有酸性的有机化合物，包括酒石酸、草酸、乙酸、苹果酸、水杨酸和乳酸等。镉胁迫下，植物根系分泌的低分子量有机酸能引起土壤中镉的释放，并使土壤总有机碳增加，进而使镉在植物根部附近的溶解度和流动性增加，有利于植物对镉的吸收、富集和转运[28]。当植物对重金属胁迫作出反应时，根系分泌物的组成和含量会发生很大变化，这些变化会因植物种类和环境因素等的差异而有所不同。Luo 等[29]分析了东南景天（Sedum alfrediiHance）根系分泌物中62 种化合物的相对峰面积，发现在不同水平镉处理下，东南景天根系分泌物的组成和含量差异明显，草酸在5 mmol·L−1镉处理时分泌量增加，但随着镉处理水平增加其分泌量逐渐减少。Fu 等[30]研究证实，镉胁迫促进了水稻根系有机酸的分泌，而且这一促进作用是植物应对镉胁迫的主动过程，在超镉积累水稻中有机酸的分泌量比正常水稻高出1~2 倍，可见镉胁迫诱导水稻分泌更多的有机酸来减轻镉毒性。蓖麻根部的草酸、苹果酸和柠檬酸的分泌量在低镉胁迫下（<100 mg·kg−1）随着植株体内镉含量的增加而增加，而在高镉胁迫下（>100 mg·kg−1）则随着植株体内镉含量的增加而减少[31]。这一现象表明，低水平镉引起的蓖麻根部草酸、苹果酸与柠檬酸的大量分泌有助于蓖麻植株中镉的富集，而高水平镉则使蓖麻体内有机酸的合成受到抑制。由此可见，适宜水平的镉胁迫刺激根系分泌有机酸，使植物对镉的吸收量增加，在降低土壤镉含量同时缓解了镉对植物的毒害作用。

2.2 氨基酸

氨基酸是生物大分子，是植物重要的代谢产物，在植物体内除了维持大分子结构的稳定、参与细胞渗透调节和吸收矿质营养外，还参与植物应对金属胁迫[32]。在玉米的根系分泌物中，除了谷氨酰胺和蛋氨酸，其他氨基酸含量都随着镉胁迫的增加而降低[33]。在水稻中，普通水稻根系分泌物中仅组氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸的分泌量随镉胁迫的增加有所增加，而高镉积累水稻根系分泌物中的氨基酸均有所增加，且它们的含量与镉处理水平呈正相关[30]。Wu 等[34]发现，镉胁迫下2 种石竹品种‘Master’和‘Xiao Yan’的氨基酸含量均显著降低，‘Xiao Yan’的脯氨酸含量显著高于对照，而‘Master’的脯氨酸含量显著低于对照，可见镉胁迫对氨基酸的分泌会因植物基因型不同而有差异。另外，镉处理水平的高低对植物根系分泌物的影响也存在差异，比如在伴矿景天中低镉胁迫抑制了根中N-乙酰-Dl-缬氨酸、N-甲酰甘氨酸和甘氨酸的分泌，同时促进了根系丙氨酸和缬氨酸的分泌；而在高镉胁迫下，N-乙酰-Dl-缬氨酸和甘氨酸含量降低，N-甲酰甘氨酸、丙氨酸和缬氨酸含量增加[35]，总体而言，高镉胁迫促进了氨基酸的分泌。

2.3 糖类等其他物质

可溶性糖是根系分泌物的主要成分之一，包括果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖和鼠李糖等。研究表明，镉胁迫下可溶性糖也是植物应对环境胁迫的方式之一，在应对重金属胁迫中发挥重要作用[36]。植物根系分泌物中的可溶性糖含量随着镉水平的增加有先升高后降低的趋势，其原因可能是镉离子水平低时植物体内产生一系列抗逆性反应，同时合成大量糖类化合物以提供能量支持这些反应的进行[37]。随着镉离子水平升高，植物光合系统遭到破坏，光合活性下降进而导致碳含量下降，糖类合成减少，根系中的糖类物质也相应减少[33]。如东南景天可能通过减少果糖、赤藓糖醇、羟基乙酸、甘露醇和海藻糖的分泌来响应镉胁迫[38]。另外，酚类化合物能够吸引土壤微生物在植物根际定植，是植物与有益微生物之间的交流媒介，其作为土壤中一大类微生物的特异底物或信号分子，能有效地吸引土壤微生物，在植物与根际微生物的交流中发挥关键作用。黄秋葵根系分泌物中的酚类物质不仅能吸引内生的粪产碱菌，而且能促进其在寄主根表面的定殖，进而使植物根系分泌物中的酚类物质和防御性酶上调，改善寄主的内在防御机制，增强了植物抵抗任何形式病原体攻击的能力[39]。

3 根系分泌物在修复镉污染土壤中的作用

3.1 根系分泌物对土壤理化性质的影响

土壤理化性质受多种因素的影响，植物根系分泌物便是其中之一[40]。根系分泌物中的黏胶物质有利于土壤团聚体的形成，土壤团聚体能够改善根际土壤的保水性和透气性。稳定性高、团块大的团聚体能够将重金属镉固定在土壤中，限制其向植物体内转运[41]。镉胁迫能促进植物根系分泌氨基酸和可溶性糖等物质，进而增加土壤颗粒间的粘合作用，增强了土壤团聚体的稳定性[42]。向镉污染土壤中添加甘氨酸可以观察到本就上升的电动点位继续上升，证明镉吸附到土壤之后与甘氨酸结合形成甘氨酸-镉螯合物，限制了镉在土壤中的迁移[43]。此外，根际微生物受根系分泌物的影响在根际大量定殖，也有利于土壤团聚体的结块[44]。在镉胁迫下，一些超镉积累植物的根系分泌大量有机酸使土壤pH 降低[45]，增加了镉在土壤中的生物活性，促进了根际土壤中有机质的分解，有助于镉积累植物在大量吸收积累镉的过程中对磷等必需养分的获取，为植物应对镉胁迫提供了营养支持。

3.2 根系分泌物与根际微生物的协同作用

根际微生物是土壤中最庞大的生命群体，包括细菌、真菌、病毒、原生动物、古菌和显微藻类，它们在土壤中因土壤深度、土壤质量和植物种类的不同而差别分布，行使着促进物质循环和能量流动的使命。由于趋化反应，微生物被根系分泌物吸引在植物根际大量聚集，与土壤形成植物-微生物-土壤这一相互影响的特殊微生态系统[46]。这种根际微生物的趋向聚集是根系分泌物定向选择的结果，有利于植物与微生物间的协同互助，共同应对病害胁迫[47]。菌丝体和菌根的形成充分证明了这一点，如在豆科植物中，类黄酮作为信号分子引诱根瘤菌在植物根部定植，并能激活根瘤菌的结瘤基因，促进结瘤菌与根的共生，加强固氮作用[48]。有研究对植物根系分泌物存在下假单胞杆菌产生的可挥发性有机物成分进行分析，发现其间存在几种抗菌化合物和能够促进植物生长的化合物，证明了根际微生物在根系分泌物的调控下能够释放对植物有利的化合物[49]。同样，在镉胁迫下根际微生物受环境和根系分泌物的影响，与植物形成协同作用共同应对胁迫。如镉胁迫下密旋链酶菌显著（P<0.05）增加了土壤有机质和溶解性有机碳，并提高了土壤脲酶、脱氢酶和碱性磷酸酶的酶活性，还提高了植物对镉的吸收和积累，有利于植物对土壤的修复[43]。一些促生菌能够通过溶解金属磷酸盐增加镉在土壤中的活性，促进镉在根和土壤间的转运，有利于超镉积累植物对土壤的修复[50]。多数促生菌则通过吸附、沉淀和酶促转化等方式与土壤中的镉发生反应，改变土壤pH 和镉离子的金属价进而降低土壤中的金属溶解度，释放硫化氢与镉形成不溶性金属硫化物将镉固定在土壤中，减少镉在根和土壤之间的转运，降低了其对植物的毒害作用[51]。

3.3 根系分泌物对植物生理过程的影响

镉胁迫下，植物根系分泌物对植物生理效应的影响也能起到防御镉胁迫的作用。有机酸作为植物体内重要的代谢产物，在植物体内参与多种代谢途径，如糖酵解、三羧酸循环、光呼吸、乙醛酸循环、光合作用以及氧化还原反应等[52]。有机酸对这些生理生化反应的调节显著影响了植物对镉胁迫的耐受性，如柠檬酸、酒石酸和苹果酸能够提高秋华柳的净光合速率，而柠檬酸能显著增加类胡萝卜素含量以及叶肉细胞中叶绿体的数量和体积[53]。在镉处理的番茄中，柠檬酸显著提高了叶绿素a、叶绿素b的含量以及光合速率和水分利用效率[54]。在芥菜中，柠檬酸能够提高叶片相对含水量和叶绿素含量，并能增强抗坏血酸和谷胱甘肽的分泌以及各种抗氧化酶的活性，减少芥菜中镉胁迫引起的氧化性损伤，还能通过增强乙二醛酶系统功能增加芥菜对镉的耐受性[55]。当植物受到环境胁迫时，氨基酸在协助植物应对环境逆境方面发挥着关键作用，氨基酸含有羧基、氨基、巯基和酚基，可与镉离子结合形成螯合物，氨基酸衍生物谷胱甘肽能够清除过氧化物质。如在水稻中谷氨酸和天冬氨酸可以通过来自α-COO-和侧链-COO-的2 个氧原子与Cd 形成稳定的螯合物，降低镉在植物中的迁移[56]。L-谷氨酸通过调节扁豆根、叶和芽中Ca2+、Mg2+和K+的吸收和转运，改善镉胁迫下植物体内的离子稳态，增加叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素的含量，缓解镉胁迫对扁豆造成的叶片失绿现象，并能通过增加抗氧化系统的活性降低镉毒性对扁豆的氧化性损伤[57]。脯氨酸能够清除氧化自由基，调节气孔关闭，限制镉离子在植物体内的移动，同时还能与镉螯合形成脯氨酸螯合物缓解氧化性损伤的发生并保护生物酶活性。谷胱甘肽能激活原鞘微藻中三酰甘油的合成，而三酰甘油能平衡因镉胁迫导致的脂质失衡，谷胱甘肽则能清除过氧化物质[58]。最新研究发现，外源添加海藻糖能提高扁豆中叶绿素、总可溶性蛋白和游离氨基酸的含量，改善镉对扁豆的毒害作用[59]。

3.4 植物响应镉胁迫的相关基因和代谢物

镉竞争性利用铁、钙、锌、铜和锰的转运蛋白进入植物细胞，刺激植物体内产生大量活性氧，并抑制多种酶的生成和活性，最终改变细胞周期活动，影响基因表达和蛋白质的合成[60]。细胞在识别特定金属离子后通过刺激镉胁迫相关基因的上调或下调，诱导镉胁迫相关蛋白的产生来应对镉胁迫[61]。Sun 等[62]发现了一种新的植物金属应答元件结合转录因子PvMTF-1，它是由镉胁迫相关基因PvSR2 编码产生，Cd 胁迫显著增加了PvSR2转录本的积累，进一步增强了PvMTF-1 对邻氨基苯甲酸合酶α-2 链基因的表达调控，使游离色氨酸水平升高，降低了植物体内镉的积累。另外，也有学者将后藤中的植物螯合素合成酶基因lpPCS1 转入酵母和其他植物中，改善了ycf1Δ 突变株的镉敏感表型，提高了野生型酵母株的耐镉性，并促进了镉在酵母中的积累；在拟南芥中该基因的过度表达提高了植株的耐镉性，但对镉在植株中的积累并没有影响[63]。拟南芥中亚铁螯合酶基因（AtFC1）的过表达降低了植株中H2O2、O-2和脂质过氧化物等活性氧的积累，增强了植株对镉的耐受性；镉诱导下，AtFC1 和AtFC1 生成的血红素能够激活谷胱甘肽依赖的植物螯合素合成途径相关基因，从而提高植物对镉的耐受性[64]。MYB4转录因子激活植株抗氧化防御，同时使植物螯合蛋白合成相关基因协同表达，增强了植物螯合素合酶1（PCS1）和金属硫蛋白1C 的活性，有助于增强植株的镉积累和镉耐受性，MYB4 转录因子基因在转基因拟南芥植株中的过表达使转基因植株比野生型植株更具耐镉性[65]。此外，镉胁迫会对植物体内代谢物的代谢途径产生一定影响。研究发现，伴矿景天应对不同水平镉胁迫的代谢途径不同，在低水平镉胁迫下精氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，以及谷胱甘肽代谢和嘌呤代谢是主要的代谢途径；在高水平镉胁迫下缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成是主要代谢途径，这几种代谢途径能够产生渗透调节物质来维持植物自身的渗透平衡，在对镉胁迫的响应中起关键作用[35]。Wei等[66]的研究表明，苎麻根对镉的响应涉及115 条代谢途径，主要是谷胱甘肽代谢途径、半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径；与谷胱甘肽代谢相关的19 个基因表达上调，主要包括谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶；与半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径相关的36 个基因表达上调，包括S-腺苷甲硫氨酸合成酶、半胱氨酸合酶、精胺合酶、甲基转移酶和氨基环丙烷羧酸氧化酶，这些代谢途径均增加了苎麻的耐镉性。

4 展望

土壤镉污染是全球性难题，目前关于土壤镉的治理在植物吸收、植物降解和微生物修复等生物修复技术方面已取得很大进展，一些辅助促进镉修复的方法如添加植物激素、添加生物炭、接种促生菌、增堆有机肥等的应用和研究也越来越多。随着分子生物学的发展和生物技术的进步，一些植物响应镉胁迫的有效基因也逐渐被挖掘，这将有利于从分子育种方面培育经济效益更高、修复作用更强的植物品种。但仍需要在分子水平上进一步研究外源物质修复镉的运转途径和修复机制。

根系分泌代谢物是植物应对和改变其生长环境的有效机制，根系分泌物可以通过改变植物根际理化性质和有益微生物群落的分布，改善微生态环境、丰富土壤养分，进而促进植物生长。根系分泌物还可以直接参与植株的生长发育，调节根际及植物体内的生理生化反应，起到缓解环境胁迫的作用。目前，根系分泌物相关研究多集中在有机酸、氨基酸、可溶性糖等种类多、数量大的成分上，对其他种类的分泌物研究较少，而关于植物如何接收环境胁迫的刺激，进而增加或减少某种或几种代谢物的分泌机制尚不明确。

根际微生物是根际环境中重要的组成部分，关于根际微生物与植物之间的关系已有大量的研究，但仍有一些问题需深入研究。比如实验室条件下得到的微生物与根系分泌物之间的相互作用结果与自然条件下得到的结果有何异同，根际微生物受根系分泌物牵引聚集是否还受到其他因素的影响？加深对根际微生物、根系分泌物和环境胁迫的进一步了解，有助于解开植物修复的诸多未知机制，有利于针对污染土壤定向选择修复植物和协同微生物，促进土壤污染的改善和修复。目前对非食用型经济作物修复镉污染的研究已取得一定进展，比如棉花、蓖麻等植物对土壤镉有良好的吸收和富集作用，但对其根系分泌物响应镉胁迫及缓解镉毒害作用的机制有待进一步加强。今后可以此为方向，进一步开展非食用型经济作物根系分泌物应对镉胁迫的内在机制研究，同时从分子生物学的角度结合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术探究镉胁迫下根系分泌物的代谢机制，进而促进生物修复技术的发展和应用。