硫对植物吸收积累镉的影响及其作用机制研究进展

杨丽莹， 邰孟雅， 翟夜雨， 许自成， 黄五星

（河南农业大学烟草学院，郑州 450002）

镉(Cd)对植物、动物和人体均具有毒害作用[1]。土壤中的镉通过离子通道或其他元素的转运蛋白进入植物体，达到较高水平时干扰植物的呼吸、蒸腾、光合作用及矿质营养和水分吸收等生理过程，造成叶片黄化、生长迟缓和生物量减少[2-3]。然而，镉超富集植物不仅能正常生长在高水平含镉土壤上，而且对镉的吸收积累量能够达到100 mg∙kg-1，是普通植物的10 倍以上[4-6]。对人类而言，食用镉污染大米、蔬菜等农作物是非吸烟者摄入镉的主要来源[7-8]，吸食镉污染烟草制品燃烧产生的气溶胶(镉的沸点低于卷烟燃烧锥温度)是吸烟者摄入镉的另一种主要来源[9]。镉在人体器官中积累到一定量时会对器官造成损害，并可能导致癌症和其他致命疾病[10-11]。近年来，我国耕地土壤镉污染状况随工业化的快速发展日益严重，我国土壤镉的点位超标率达7.0%，居无机污染物之首[12]。因此，研究植物对镉等重金属的吸收和积累机制，利用植物修复技术减少土壤镉含量，或采取相应措施限制镉由土壤向植物的转移，对提高农作物安全性和保护人类健康具有重要意义。

硫(S)是土壤中重要的生源要素，也是植物生长代谢的必需营养元素，不仅与土壤中镉的形态和有效性密切相关，而且会影响植物根系对镉的吸收及镉在植物体内的转运积累[13-14]。与其他营养元素相比，硫更具有缓解植物镉毒害的潜力[3]：土壤中硫及含硫功能团直接与镉形成高亲和稳定化合物，降低土壤中镉的有效性，减少植物对镉的吸收[15-16]；硫形成的谷胱甘肽(glutathione, GSH)一方面可通过氧化还原作用清除活性氧自由基(reactive oxyradical, ROS)，减少氧化损伤；另一方面可同其他含硫化合物如巯基功能团(-SH)、植物螯合素(phytochelatins, PCs)等一起与镉络合形成毒性较低的镉络合物[14,17]。施硫被认为是有效调控植物镉吸收积累的农艺措施，然而不同形态、不同用量的外源硫素在不同作物上的作用效果存在较大差异[18]。因此，分析总结不同形态和用量的硫对不同植物不同部位镉积累量的影响及机制，探索不同植物在镉胁迫条件下适宜的施硫方式，以达到减少农作物可食部位镉含量、增加超富集植物镉积累量的理想目标，对指导镉暴露条件下的植物生产具有借鉴意义。

1 硫对植物吸收积累镉的影响

表1 汇总了不同形态和不同含量水平硫对农作物(水稻、小麦、蔬菜、烟草)和镉富集植物(伴矿景天、龙葵)吸收积累镉的影响。

表1 不同形态和不同含量水平硫对植物吸收积累镉的影响Table 1 Effect of different forms and content levels of sulfur on cadmium uptake and accumulation by plants

1.1 硫对农作物吸收积累镉的影响

1.1.1对水稻吸收积累镉的影响 水稻(Oryzasativa)是我国第一大粮食作物，具有较高的镉富集能力和镉转移系数[40]。研究表明，硫能减少水稻对镉的吸收和积累，镉浓度为0~5 mg∙kg-1时，添加多种形态外源硫(300 mg∙kg-1以下)均能降低土壤镉有效性，减少根系对镉的吸收，降低水稻组织(茎、叶及籽粒)中镉的积累[19-20,22-23,41-42]。镉转移系数(translocation factor, TF)和土壤有效态镉均随硫供应量增加而降低，多表现为施硫量越高效果越显著，而施用石膏时以低水平处理更有效[22]。不同形态硫对水稻根表铁膜形成量的影响表现为Na2SO4>元素S>巯基有机黏土(mercapto-modified palygorskite, MP)；硫降低土壤镉有效性及减少水稻组织镉积累量的能力表现为MP>Na2SO4>元素S，说明巯基形态的有机硫是应用硫进行土壤镉修复的较优选择[19,43-44]。此外，与落干处理相比，淹水处理在降低土壤镉有效性和水稻组织镉积累方面更有效，淹水处理下添加硫能促进水稻根表铁膜形成，而在添加硫的落干处理中部分根表铁膜崩解[45]。然而，施硫量并非越多越好，适量外源硫(小于500 mg∙kg-1)促进水稻根表铁膜形成，但过量硫对水稻根系产生毒害效应，导致根腐病发生，危害水稻生长[46]。水稻幼苗暴露于10和100 µmol∙L-1镉处理时，中低水平的Na2SO4(2~6 mmol∙L-1)有利于镉在水稻各部位的积累，并促进了根和茎中镉向叶部的转运[24]。

1.1.2对小麦吸收积累镉的影响 小麦(Triticum aestivum)是我国重要粮食作物，籽粒同样具有较高的镉富集能力[47-48]。小麦盆栽试验中，施用Na2SO4(30~120 mg∙kg-1)导致土壤pH降低、土壤镉有效性增加，促进小麦根系对镉的吸收[26,28]。Shi 等[28]发现，Na2SO4降低镉向籽粒的转运，使小麦籽粒中镉积累量减少，而Huang 等[26]研究中Na2SO4未降低镉向籽粒的转运，并增加了籽粒中镉积累量。施用Na2SO4是减少小麦籽粒镉积累量的关键，但目前研究较少且结论不同，不足以得出普适性结论。Matraszek-gawrn 等[49]对幼苗期小麦进行水培试验，结果表明Na2SO4促进镉从根部向地上部转运；而翁南燕等[50]发现Na2SO4抑制镉从根部向地上部转运。石膏形态硫减少小麦镉吸收积累的效果更好，因为石膏不仅可以提高土壤pH、降低镉有效性，还可以直接吸附土壤中镉，减少小麦根系对镉的吸收及籽粒中镉的积累；施用元素S 时的结果与施用石膏相反[16]。施用MnSO4和ZnSO4显著降低小麦籽粒镉积累量[27,51]，其中锰和锌与镉的竞争起主要作用。

1.1.3对蔬菜吸收积累镉的影响 小白菜(Brassica chinensis)、苋菜(Amaranshus mangostanus)、菠菜(Ipomoea aquatica)等是我国主要叶类蔬菜，被广泛种植和消费，叶类蔬菜比其他类型蔬菜更易积累镉[29,31,52]。水培试验中，添加Na2SO4(2 mmol∙L-1)显著降低小白菜根部和地上部镉含量[29]。Huang等[30]施用CaSO4、CaCl2和Na2SO43 种添加剂，均降低了小白菜幼苗镉积累量，其中CaSO4和CaCl2降低效果显著优于Na2SO4，这与多数研究中石膏形态硫能显著降低植物镉积累的结果一致[16,22]。小白菜盆栽试验结果与水培结果相同，施用Na2SO4(50 mg ∙kg-1)可降低小白菜可食部位镉积累量[31-32]。施用高水平Na2SO4(200 mg∙kg-1)降低了菠菜可食部位镉积累量[18]。然而，施用元素S、(NH4)2SO4和CaSO4均增加了苋菜地上及地下部镉积累量，(NH4)2SO4对镉积累量的增加更有效，这是由于(NH4)2SO4对土壤pH 的降低程度更大，导致土壤镉有效性较大[33]；但(NH4)2SO4和CaSO4降低了苋菜中镉从根部向地上部的转移系数，这与其他研究中硫酸根降低镉向叶类蔬菜可食部位转运的结论一致[18,29-30]。此研究中硫增加苋菜对镉的吸收积累可能是因为此苋菜品种天星米(Amaranshus man-gostanus)本身即为镉超富集植物[53]，对镉具有较强的吸收能力。施用元素S、Na2SO4和Na2SO3均促进大白菜(Brassica campestris)对镉的积累，促进效果为元素S>Na2SO4>Na2SO3[17]，亚硫酸根可增加土壤pH、降低土壤镉有效性，调整其施用量有望达到降低大白菜吸收积累镉的效果。

1.1.4对烟草吸收积累镉的影响 烟草(Nicotiana tabacum)是全球性经济作物，生物量大且具有较强的镉富集能力[54-55]。Feng 等[34]发现，施用硫肥可降低烟草幼苗镉的积累和毒性，镉质量浓度为1~5 mg∙kg-1时，低硫(105 mg∙kg-1)处理显著降低烟草镉积累量，而高硫(130 mg∙kg-1)处理降低程度较小。Li等[35]研究发现，低硫(510 mg∙kg-1)降低烟草镉含量的效果并不显著，而高硫(1 020 mg∙kg-1)显著增加烟草各部位镉含量及镉从根部向地上部的转运。目前鲜有硫影响烟草镉吸收积累的报道，从上述研究中可推断低水平硫能降低烟草对镉的吸收积累，而高水平硫促进烟草对镉的吸收积累，但还需要更多深入的研究才能得出可靠结论。

1.2 硫对镉富集植物吸收积累镉的影响

1.2.1对伴矿景天吸收积累镉的影响 伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是在我国浙江省矿区周边发现的镉超富集植物，具有比遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)、宝山堇菜(Viola baoshanensis)生物量大的特点，被应用于镉污染土壤植物修复[39,56-57]。Wu等[58]研究发现，镉含量小于4.5 mg∙kg-1时，施用元素S（500~4 000或375~1 500 mg∙株-1）显著增加土壤有效态镉含量及伴矿景天中镉积累量，且均随施硫量增多而增多。施用FeSO4（300~1 200 mg∙株-1）时依然遵循此规律，且FeSO4对伴矿景天镉提取率的提升效果优于元素S[37]。硫不仅通过降低土壤pH、增加土壤镉有效性而强化景天科植物对土壤镉的提取，景天科植物自身对硫酸根的响应也会促进其对镉的吸收积累。李会合等[39]的镉超积累生态型东南景天(Sedum alfrediiHance)水培试验为此提供了依据，在镉暴露(10、100 µmol∙L-1)水培试验中，添加K2SO4(0.75~2.25 mmol∙L-1)增加东南景天各部位镉积累量，且积累量随施硫量增多而增多。但施硫量并不是越多越好，吴广美等[38]发现，中硫水平(360 g∙m-2)下伴矿景天地上部镉积累量及土壤镉去除率最高，低硫(180 g∙m-2)处理次之，高硫(720 g∙m-2)处理因抑制伴矿景天生长而降低了镉提取率。

1.2.2对龙葵吸收积累镉的影响 龙葵(Solanum nigrum)具有在叶片中积累大量镉的能力，被确认为镉超富集植物，是有效的植物修复材料[3,59]。Alatawi 等[3]研究了3 种施硫方式(100 mg∙kg-1元素S、100 mg∙kg-1石膏、50 mg∙kg-1元素S+50 mg∙kg-1石膏)下龙葵的生长及镉积累量，发现3 种施硫方式均促进龙葵生长，以石膏形态促进效果最好；施用元素S 使龙葵各部位镉含量最高；但高镉(50 mg∙kg-1)胁迫下，石膏处理的总镉积累量最高，低镉(25 mg∙kg-1)胁迫下，元素S 处理的总镉积累量最高，这是由植物生物量差异造成的。总之，石膏和元素S 都能有效提升龙葵对污染土壤的镉提取率，可根据土壤镉污染程度选择硫的施用形态。

2 硫影响植物吸收积累镉的机制

2.1 硫影响土壤镉有效性

土壤中对植物具有生物有效性的镉主要是有效态镉，而不是土壤中镉的总量，降低土壤有效态镉含量将直接减少植物对镉的吸收积累[19,27,60]。硫的施用形态包括和元素S，大多数情况下，施用硫酸盐直接降低土壤pH，而元素S 通过土壤硫氧化细菌氧化过程中产生的硫酸根和质子间接降低土壤pH，土壤pH 降低将导致镉有效性增加[35,61]。而在水稻中施用多种形态硫均能降低水稻土壤镉有效性[23,42,62]。Zhao 等[43]研究发现，水稻中施用硫(元素S、Na2SO4、MP)增加土壤溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)水平，促进硫酸盐和铁还原，增加Fe2+和S2-含量，加速铁氧化物对Cd 的吸附及Cd-S 形成，降低土壤中有效态镉含量；元素S 还通过改变土壤铁形态降低土壤镉有效性，诱导生成的大量无定形铁，比晶质铁具有更多镉吸附位点[22,63](图1)。不同形态硫对土壤镉有效性的影响存在差异。的影响主要取决于土壤氧化还原状态，在还原条件下，根际土壤pH随施用量的增加而升高，此时被还原，消耗H+并产生S2-和OH-，利于Cd-S形成，其中，脱硫弧菌(Desulf ovibrio)对的迅速还原起关键作用[21,44,64]；此外，pH 的增加增强了土壤中水合铁锰氧化物表面对镉的吸附能力，同样降低土壤有效镉含量，此过程中Fe 还原细菌Geobacter起关键作用[21,65]。但氧化条件下，SO2-4降低土壤pH，不利于Cd-S 形成，土壤镉有效性增加[66]。S2-促进土壤镉向铁锰氧化物结合态和有机硫化物结合态转化，铁锰氧化物结合态镉相对稳定, 受土壤氧化还原状态影响较小，降低土壤镉有效性。刘颖等[66]研究发现，还原态S比氧化态S更利于降低土壤镉有效性。Zhao等[43]研究表明，施用MP 降低土壤镉有效性的效果优于元素S 和Na2SO4。此外，石膏S不仅可通过提高土壤pH来降低土壤镉有效性，还能通过Ca等金属元素吸附大量镉，具有良好地固定土壤镉的潜力[16,22]。

图1 硫对土壤镉有效性的影响Fig. 1 Effect of sulfur on availability of cadmium in soil

2.2 硫影响植物对镉的吸收

镉主要通过3 种方式从土壤溶液进入植物根部：①镉离子与植物根部表皮细胞呼吸作用解离产生的氢离子迅速交换吸附，通过质外体途径进入表皮细胞；②镉通过其他二价阳离子如Fe2+、Zn2+和Ca2+的低特异性转运蛋白进入根细胞；③为提高根际土壤离子利用率，镉与植物根部分泌出的小分子化合物螯合形成金属配位体复合物，通过金属螯合物转运蛋白进入根细胞[67]。这3 种吸收方式均存在Cd2+与其他二价金属阳离子的竞争抑制作用，因此改变土壤溶液中Fe2+、Zn2+、Mn2+和Ca2+等二价金属离子含量将影响植物对Cd2+的吸收(图2)。Huang 等[30]通过每2 天1 次同时添加CdCl2和CaSO4与每天1 次轮流添加CdCl2和CaSO4对小白菜进行试验，发现前者各部位镉含量显著低于后者，表明施用CaSO4可通过Ca2+竞争性抑制根系对镉的吸收在此过程中的作用尚未明确，但该试验应用非损伤微测技术测定Cd2+通量发现施用CaSO4后Cd2+流入量减少了约1/3，但小白菜中镉总积累量减少了一半以上，表明还有其他机制存在。Wang 等[27]研究发现，添加MnSO4后除了Mn 以外小麦根系中Cu 和Fe 含量也明显增加，说明MnSO4能增加其他离子的迁移率，利于其与镉竞争结合位点，减少小麦对镉的吸收。然而，并不只在与二价金属阳离子结合施用时才对镉的吸收具有抑制作用。Adhikari等[68]发现，在培养基中施用(NH4)2SO4会降低Zn 转运蛋白ZIP4转录水平，说明本身也能通过降低某些转运蛋白的转录水平来减少植物根系对镉的吸收。此外抑制了镉胁迫条件下玉米根毛的形成，根毛数量和长度的减少影响根系对镉的吸收[68-69]。

图2 硫对植物镉吸收的影响Fig. 2 Effects of sulfur on cadmium uptake in plants

特殊的是，水稻根系表面存在一层可吸附镉等重金属的铁膜(图2)。研究表明，硫促进水稻根表铁膜形成，增加铁膜对镉的吸附，不同形态硫对水稻根表铁膜形成量的影响表现为Na2SO4>元素S>MP[19,43,46]。施硫量过多时，不利于根表铁膜形成[19]，不过Wu 等[23]发现，在一定范围内虽然根表铁膜生成量减少，但Fe 迁移率增加，Fe 与Cd 竞争进入水稻根部减少镉的吸收，在此过程中含硫化合物烟胺(nicotianamine, NA)对Fe 迁移率的增加起重要作用；超过一定范围后，过量硫对水稻根系产生毒害效应，导致根腐病发生[46]。

2.3 硫影响植物对镉的积累

植物中镉积累部位和积累量主要受镉转运影响，为使农作物可食部位镉积累量较少，不仅需要减少植物根系对镉的吸收，也需要降低镉从根系向可食部位的转运。硫主要通过2 种方式降低镉从根系向农作物可食部位的转运积累(图3)。

图3 硫对植物镉积累的影响Fig. 3 Effects of sulfu on cadmium accumulation in plants

2.3.1固定 通过固定增加根细胞壁对镉的吸附能力。植物细胞壁是镉的重要储层，可以固定45%~90%的镉[70-71]。细胞壁吸附镉的能力与细胞壁成分有关，果胶因具有更多羧基(COO-)而比其他成分具有更强的镉吸附能力[72]。Shen等[18]通过转录组分析揭示硫在菠菜镉积累和转运中的作用，发现促进果胶甲酯酶(pectin methylesterases, PME)和漆酶(laccase, LAC)表达，增加PME 活性和木质素含量，PME 使细胞壁中果胶去甲基化产生更多游离羧基，木质素有效增强抑制镉进入根部的质外屏障作用。Shi 等[28]发现，Na2SO4诱导增加小麦中磷的积累，促进细胞壁中Cd3(PO4)2和CdHPO4等不溶性Cd-磷酸盐复合物形成，增加细胞壁对镉的吸附能力。硫增强根细胞壁对镉的吸附能力，使镉主要积累于根部，这种方式属于抑制镉的质外体途径运输。

2.3.2区隔 通过区隔促进镉与多种含硫化合物螯合并转运进根液泡。GSH 和PCs是富含巯基的重金属螯合肽，NA是参与金属长距离运输和螯合的螯合剂，GSH、PCs 和NA 螯合镉形成GSH-Cd、PCs-Cd 和NA-Cd 复合物并转运进液泡，将镉区隔于液泡中，降低其易位[31]。这些复合物能否被转运进液泡取决于镉螯合物转运蛋白的表达水平，一般情况下，硫的施用会促进镉螯合物向液泡转运[21,28]。Huang 等[30]研究发现，镉暴露条件下施用进一步增加半胱氨酸 (Cys)、GSH 和PCs 含量，显著上调编码硫同化和PCs 生物合成关键酶的基因表达，增强2 种PCs 液泡转运蛋白(ABCC1和ABCC2)转录，这些结果表明促进镉的螯合及随后的液泡区隔。Shi等[28]研究结果表明，硫增加 Ca2+/H+反向转运蛋白（cation/proton exchanger,CAX）中的CAX3、 ATP结合盒转运蛋白（ATP-binding cassette transporter，ABC）和谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase，GST）的表达水平，将镉隔离进液泡。安志装等[24]发现，K2SO4处理比K2S 更利于水稻中镉的液泡区隔化。将镉区隔于液泡的方式属于抑制镉的共质体运输途径。然而，施硫导致植物GSH 含量过高可能促进镉从根系向地上部的迁移，因为GSH 也可作为抗氧化剂在植物体内运输[19]。

3 调控植物镉吸收积累的施硫策略

目前，硫对水稻镉的影响研究多集中于水分管理与施硫结合调节镉的吸收积累，水分管理和施硫处理主要通过改变土壤氧化还原状态和根表铁膜形成量影响水稻对镉的吸收积累。在土壤还原条件下，施用多种形态硫均能降低土壤镉有效性、减少水稻对镉的吸收积累[19-20,22-23,41-42]，而在氧化条件下施硫得到不同结论。因此，镉污染土壤的水稻生产过程中，施硫时应着重关注土壤水分状况，若无法保证持续淹水条件，可进行水分管理或选择巯基形态有机硫来降低土壤镉有效性[43]。

小麦是旱地作物，土壤好氧，与水稻截然不同[27]，因此，水稻中硫通过结合水分管理降低土壤镉有效性来减少水稻对镉的吸收积累这一机制在小麦中并不适用。施用多种形态硫均增加土壤镉有效性及小麦中镉的吸收积累[26,28]，且小麦对硫需求较低，硫对小麦镉转运的影响尚未得到定论。因此，小麦生产中需慎重选择硫肥形态及施用量，为防止加重小麦镉污染，可施用石膏、MnSO4或ZnSO4，通过增加Ca2+、Mn2+和Zn2+等二价金属阳离子与镉竞争性结合金属转运蛋白，抑制小麦对镉的吸收和转运，降低小麦籽粒镉积累量[16,27,51]。

烟草中硫对镉吸收积累影响的研究较少，从已有研究中推断低水平硫能降低烟草对镉的吸收积累，高水平硫促进烟草对镉的吸收积累[34-35]。烟草是喜钾作物，实际生产中常施入大量K2SO4，这可能加重烟草镉污染，需采取其他措施辅助以减少烟草叶片中镉的积累。

伴矿景天在土壤pH 为4.5~5.5 时对镉污染土壤的修复效果最好，可通过添加合适的化学强化剂或采取农艺调控措施降低土壤pH，以强化伴矿景天对土壤镉的提取[58]。硫肥大多为酸性肥料，降低土壤pH，同时提供硫营养促进植物生长，近年来硫在植物修复方面受到广泛关注[24,36]。施用元素S和均能增加镉超富集植物伴矿景天和龙葵中的镉积累，且在一定范围内施硫量越多，植株对镉的提取率越高[3,36-37]。但施硫量需结合植物生长情况而定，若过高则抑制植株生长而降低镉提取率[38]。

目前，一种兼顾植物提取及在镉污染土壤中安全生产食品的新方法被提出，这涉及镉超富集植物景天(伴矿景天和超积累型东南景天)及镉低积累水稻品种间的轮作。即在景天生长季节施用适当硫，通过硫氧化激活土壤镉有效性，增加景天对镉的提取；然后，在水稻季节维持土壤淹水条件以促进硫酸盐的还原和Cd-S 沉淀的形成，确保土壤中镉有效性较低，从而降低水稻镉污染风险[36,73]。在接下来的轮作中，无需再次添加硫，只利用土壤氧化还原条件变化对硫形态的影响来改变土壤pH及镉有效性，进而改变不同作物对镉的吸收积累。随着这种轮作方式的进行，可逐渐去除土壤总镉含量，最终达到土壤修复的目标。

4 展望

硫对植物吸收积累镉的影响包括改变土壤镉有效性、影响植物根系对镉的吸收及镉从根部向其他部位的转运。但硫对植物镉吸收积累能力的影响因物种、硫形态及硫施用量而异，仍需更更多研究才能探索出不同植物在镉暴露条件下更加适宜的施硫方式，以达到减少农作物可食部位镉含量或增加超富集植物镉积累量的理想目标。

今后的研究可结合实际生产中的不足寻求解决之道，如硫对水稻镉吸收积累的影响受土壤氧化还原状态限制，可将施硫与水分管理结合。小麦和蔬菜土壤中施硫增加土壤镉有效性，可进一步研究硫对植物镉转运的影响，或只施用足够植物生长的硫肥转而选择其他添加剂来减少植物对镉的吸收积累。烟草是喜钾作物，实际生产中常施用大量硫酸钾肥，可能加重烟草镉污染，需采取其他措施辅助以减少烟草叶片中镉的积累，如使用某种抑制剂减少镉向烟草叶片中转运积累。伴矿景天和龙葵等镉富集植物生产中适当降低土壤pH 利于提升镉提取效率，对土壤微生物进行研究发现，在硫氧化、土壤酸化和提高镉生物有效性中起重要作用的微生物主要有Thiobacillus thioparus、Thiomonas和Rhodano-bacter[38,61]，研究这些功能细菌可为提高镉富集植物的镉提取率提供新的方向。