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植物对重金属镉的耐受机制

来源:植物生理与分子生物学学报
摘要:正常条件下,植物体内Cd2+含量很低,一般不超过1mg/kg。Cd2+在植物器官中的分布基本上是:根>叶>茎>花、果、籽粒。由于自然因素和人类活动,Cd2+施放量日益增加,Cd2+进入生物圈的速率约为每年30000t。同时酸雨作用使得土壤Cd2+的可溶性增加,导致土壤Cd2+毒性增强(Tschuschke等2002)。...

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  镉(  Cd  )在土壤、空气、水和生物系统中以微量存在,地壳中  Cd  的平均含量为0.15~0.20  mg/kg,空气中为0.002~0.05  μg/m3。正常条件下,植物体内  Cd2+  含量很低,一般不超过1  mg/kg。Cd2+  在植物器官中的分布基本上是:根>叶>茎>花、果、籽粒。由于自然因素和人类活动,Cd2+  施放量日益增加,Cd2+  进入生物圈的速率约为每年30000  t;同时酸雨作用使得土壤  Cd2+  的可溶性增加,导致土壤  Cd2+  毒性增强(  Tschuschke  等2002)。区域性的土壤  Cd2+  污染严重,直接导致农作物减产和高  Cd2+  积累,Cd2+  经食物链进入人体,则危害人类健康,甚至引发公害病“骨痛病”。  

  Cd2+  对所有生物都有毒性,低剂量(0.1~1  mg/kg  )  Cd2+  处理即可抑制动植物的生长繁殖。Cd2+  导致细胞损伤,其机理可能是:(1)束缚自由巯基使蛋白变性或失活;(2)置换不同蛋白包括转录因子和酶的辅因子;(3)产生活性氧。Cd2+  的高毒性还可能是由于其对嘌呤衍生物、嘧啶类、磷酸盐、卟呤以及蛋白半胱氨酸和组氨酸残基的高亲和性。  

  Cd2+  胁迫下植物的耐受机制,主要包括对  Cd2+  的解毒和  Cd2+  的转运两个紧密联系的作用体系。对  Cd2+  的解毒作用涉及:(1)硫代谢的相关过程;(2)氧化胁迫防卫机制;(3)对  Cd2+  的束缚、隔离及外排机制。对  Cd2+  的转运过程可能包括:(1)根际活化吸附;(2)经质外体途径和共质体途径的短距离运输;(3)经木质部及韧皮部装载的长距离运输;(4)叶表皮毛的浓集。本文综述了植物硫代谢、抗氧化响应以及  Cd2+  跨质膜和液泡膜的运输在植物对  Cd2+  的耐性中的作用,并初步探讨了存在的问题和今后的研究方向。  



1  Cd2+  对植物的毒害  

  Cd2+  对植物的毒害,在形态上主要表现为根、茎生长迟缓和叶片失绿、卷曲;生理生化方面多表现为光合作用和蒸腾作用受到抑制,引起氧化胁迫和膜的损伤。  

1.1  根损伤  

    Cd2+首先引起根的损伤。Cd2+损伤根尖细胞核仁,抑制核糖核酸酶活性,改变RNA合成;抑制硝酸还原酶活性,减少根部对硝酸盐的吸收及向地上部转运;抑制根部Fe3+还原酶活性,引起Fe2+亏缺。Schutzendubel等的研究表明,在Cd2+处理后,苏格兰松(Pinus  sylvestris)幼苗H2O2的产生增加,抗氧化系统活性及根的伸长受到抑制,根尖细胞的老化加速。  

1.2  抑制光合作用和蒸腾作用  

  Cd2+胁迫会降低植物叶绿素含量,损伤光合系统Ⅰ和Ⅱ,降低叶片中的电导率,减少CO2吸收,干扰气孔的开放。Haag-Kerwer等研究结果表明,在印度芥菜(Brassica  juncea)中,由于植物螯合肽(phytochelatin,PC)对Cd2+的解毒作用,植物光合作用受到保护,但蒸腾速率和叶片的扩展生长仍受到抑制。在蚕豆(Vicia  faba)中,Cd2+经Ca2+离子通道进入保卫细胞后,可能通过脱落酸(ABA)途径引起气孔的关闭,抑制植物的蒸腾作用。  

1.3  引起氧化胁迫  

  Cd2+结合酶活性中心或蛋白巯基,取代蛋白反应中心的必需金属Ca、Fe、Zn,释放自由离子,诱发氧化胁迫,引起膜脂的过氧化,导致膜的损伤。高浓度Cd2+则会明显抑制抗氧化酶活性,加剧活性氧的释放,导致植物生长严重受抑制。  



2  Cd2+胁迫下的植物硫代谢  

  硫作为植物生长必需元素,在植物对Cd2+的耐受机制中也起着十分重要的作用。硫的吸收、还原、同化途径中关键酶的表达量响应Cd2+胁迫,硫代谢产物如谷胱甘肽(glutathione,GSH)和PC在植物对Cd的解毒过程中起着关键作用(图1)。过量表达硫代谢途径相关酶基因也可以提高植物对Cd2+的耐性。  

2.1  硫的吸收  

  硫主要以SO2-4的形式被植物吸收。SO2-4的跨细胞膜吸收主要受一个编码不同亲和性硫转运体基因家族的表达调控。经Cd2+胁迫后,印度芥菜根部的低亲和性硫转运体基因的转录水平明显降低,叶中的转录水平没有变化,玉米(Zea  mays)则通过高亲和性硫转运体(High-affinity  sulfur  transporter,HAST)表达的上调,增加硫的吸收。高亲和性硫转运体在Cd2+胁迫下的上调表达,可能确保了植物体内与Cd2+解毒机制密切相关的硫供应。  

2.2  硫的还原  

  ATP硫化酶(ATP  sulfurylase,APS)和磷酸腺苷还原酶(adenosine  5'phosphosulfate  reductase,APR)是SO2-4还原为H2S的过程中的两个关键酶,其表达量响应Cd2+胁迫。经25  μmol/L的Cd2+处理后的印度芥菜中,APS和APR的转录水平强烈增加。在过量表达APS的印度芥菜中,硫和硫醇含量增加,幼苗期植物比野生型具有更高Cd2+耐性,成体植物地上部分Cd2+含量则比野生型高2.5倍以上。  

2.3  半胱氨酸(cysteine,  Cys)的合成  

  Cys是植物体中硫还原过程的末端产物,也是GSH、蛋氨酸(methionine,Met)等其它还原性硫代谢产物合成的起始物。Howarth等测定经50  μmol/L的Cd2+处理24  h后拟南芥(Arabidopsis  thaliana)中丝氨酸乙酰转移酶(Ser  acetvltransferase,SAT)基因家族所有成员的表达水平,其中Sat-5在叶中表达量最高。原位杂交研究的结果显示,Sat-5在根、茎部皮层、叶表皮层和叶毛状体中的表达均响应Cd2+胁迫。拟南芥在50μmol/L的Cd2+处理18  h后,O-乙酰-丝氨酸巯基裂合酶[O-acetyl-ser(thi0l)-lyase,OASTL]的表达量增加7倍,过表达拟南芥OASTL基因Atcys-3A可提高受体植物对Cd2+的耐性。  

2.4  GSH的合成  

  GSH经两个依赖于ATP的酶(glutamylcysteine  synthetase,GCS;glutathione  synthetase,GS)所催化的反应从Cys起始合成,GCS和GS响应Cd胁迫,在印度芥菜中分别过表达这两个酶,均可提高植物对Cd2+的耐性和积累。GSH在谷胱甘肽硫转移酶的作用下可与进入细胞内的Cd2+形成复合物,同时由于其结构中巯基的还原活性,GSH在植物抗氧化胁迫过程中也起重要作用。  

2.5  PC的合成  

  还原态的GSH经PC合酶(phytochelatin  synthase,PCS)催化合成PC,PCS的表达量响应Cd胁迫。在动物中对Cd2+起螯合作用的主要是金属硫蛋白(metallothionein,MT),而在植物中则是PC,低分子量的PC与Cd2+形成复合物,减少了细胞溶质中自由Cd2+的浓度。同时低分子量PC-Cd复合物通过液泡膜转运体,进入液泡,与液泡中的硫化物形成高分子状态的PC-Cd复合物。此外,PC-Cd复合物可促进Cd2+向地上部的长距离运输。不过过量表达PCS产生的高PC含量对植物可能也有毒性。  



3植物抗氧化系统  

  植物抗氧化系统可分成抗氧化保护酶类与抗氧化剂两类,抗氧化保护酶类主要为超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和GSH还原酶(GR)等;抗氧化剂类包括还原型GSH、抗坏血酸(AsA)和α生育酚(Vit  E)。活性氧(activated  oxygen  species,AOS)是激活抗氧化系统的信号分子。Schutzendubel和Polle认为,Cd2+进入细胞溶质后首先引起细胞抗氧化能力瞬时缺失,如引起AsA-GSH循环两个关键酶GR和APX的瞬时失活,启动H2O2的积累,进而诱导抗氧化系统的二次防御作用(a  href=http://www.chinariceinfo.com/upload/2005/3408-fig1-jpg.jpg  target=blank  align=center>图1)。  

  Cd2+胁迫下,不同植物和不同器官抗氧化系统表现出较大差异。Iannelli等的研究结果表明,以Cd2+(50  μmol/L,21  d)处理的芦苇(Phragmites  australis)与对照相比,根、匍匐茎及叶中SOD、APX、GR和CAT活性以及GSH含量都增加,其中根部GSH含量增加显著,且根部谷胱甘肽硫转移酶(GST)活性也相应增强,抗氧化活性的增强可能造成该植物对Cd2+的耐性。在水稻(Oryza  sativa)中SOD和POD的活性增强,对水稻抗Cd2+引起的氧化胁迫有重要作用。  

  高浓度的Cd2+会明显抑制植物的抗氧化系统活性。Dixit等和Sandalio等对豌豆的研究结果表明,Cd2+(4  μmol/L和40  μmol/L,7  d)处理,豌豆叶中的SOD活性增强,且40  μmol/L处理大于4μmol/L处理,CAT活性在两个处理浓度下均显著增强,在40  μmol/L处理的植物根部,APX活性最高;50  μmol/L的Cd2+胁迫明显抑制豌豆生长,脂质过氧化和羰基组分含量增加,SOD、CAT和愈创木酚过氧化物酶活性降低。Iannelli等认为,在低、高浓度Cd2+胁迫下,植物分别表现出抗氧化活性增加和减少两种情况,说明抗氧化系统既具有解毒功能,同时又是Cd2+植物毒性(phyto-toxicity)的作用位点。  

  Cd超富集植物具有更强的抗氧化能力。Boominathan和Doran研究高Cd2+胁迫对Cd超富集植物遏蓝菜(Thlaspi  caerulescens)和非富集植物烟草(Nicotiana  tabacum)的影响,结果表明,在20  mg/L的Cd2+营养液中,烟草的生长明显受到抑制,H2O2含量增加5倍,而遏蓝菜则维持正常生长,H2O2也控制在较低的非毒性水平。同时遏蓝菜还表现出对CAT活性的强诱导响应。用GSH抑制剂BSO(buthionine  sulphoximine)和Cd2+同时处理使烟草的H2O2积累加剧,对遏蓝菜的影响很小。两植物在Cd2+胁迫下都表现出脂质的过氧化。这项研究的结果表明,Cd2+处理即使不抑制Cd超富集植物遏蓝菜的生长,也会引起氧化胁迫,但该植物存在较强的防卫能力,特别是CAT的活性,可能在它抗氧化防卫方面起着关键作用。  

  Jacob等用抑制消减杂交技术构建Cd2+(O.05  mg/L,12  h)处理卷边网褶菌(Paxillus  involutus)菌丝体与对照菌丝体的消减cDNA文库,从文库中分离到sod  cDNA片段,用此片段筛选)λcDNA文库获得全长的PiSOD,在SOD缺陷型大肠杆菌(Escherichia  coli)中表达PiSOD,可提高突变体抗氧化胁迫和Cd2+胁迫能力。该研究结果也进一步为抗氧化系统在细胞对Cd2+的耐性中起作用提供了分子水平的证据。  



4  跨质膜和液泡膜的Cd2+运输  

  Cd2+在植物根部经质外体途径和共质体途径进行横向(短距离)运输。自植物幼苗根的内皮层上凯氏带形成后,Cd2+就不能再通过质外体途径直接到达木质部导管,而必须经共质体途径进行跨质膜转运和木质部装载,而后随蒸腾流向地上部运输和积累。跨质膜和液泡膜的Cd2+运输促进Cd2+在植物体中的分配和隔离作用(a  href=http://www.chinariceinfo.com/upload/2005/3408-fig1-jpg.jpg  target=blank  align=center>图1)。早期的研究结果表明,Cd2+可能通过Ca2+通道进入细胞。Ortiz等和Salt等先后报告了液泡膜具有PC-Cd复合物的转运活性以及Cd2+/H+反向转运活性,并表明这两种活性涉及细胞溶质Cd2+进入液泡。近年来通过对cDNA文库的筛选、基于序列相似性对数据库的检索以及对酵母突变体的功能互补研究等方式,分离和鉴定了十几个基因,编码具转运Cd2+活性的多金属转运体。  

4.1  质膜Cd2+转运体  

  编码质膜转运体的基因IRT1(iron-regulated  transporter)为ZIP(zinc  and  iron  regulated  transporter  proteins)家族中首个被发现的基因,其编码膜蛋白IRTl可转运Fe2+、Mn2+和Zn2+。Cd2+可抑制IRT1对这些金属的吸收,在酿酒酵母(Saccaromyces  cerevisiae)中表达IRT1,提高了酵母细胞对Cd2+的敏感性。这些研究结果表明IRT1还可以吸收Cd2+。ZNT1(zinc  transporter)也为ZIP家族基因,将于遏蓝菜中克隆的ZNT1在酵母中表达,吸收动力学研究表明Cd2+的吸收随浓度(0~80  μmol/L)线性增加,且比对照(空载体转化)略高,表明ZNT1具有低亲和性Cd2+的转运活性。在酵母中,Nramp(natural  resistance-associated  macrophage  proteins)家族基因的表达可恢复酵母受损的Fe2+、Mn2+运输,也提高了酵母对Cd2+的敏感性和积累。同时对T-DNA插入AtNramp3突变体的定性和基因的过表达的研究结果,也表明该基因可提高植物对Cd2+的敏感性。Mills等在拟南芥中分离到首个HMA(heavy  metal  ATPases)家族基因,AtHMA4,其编码蛋白AtHMA4具有转运Zn2+、Cd2+的活性,定位在质膜上,主要集中在根部维管组织的导管细胞中表达。在Cd2+胁迫下,AtHMA4的过量表达使得根的生长加速和地上部的Cd2+积累增加。AtHMA4可能在木质部装载Cd2+等金属的过程中起作用。Bernard等从遏蓝菜中分离到与AtHMA4高度同源的TcHMA4,将TcHMA4和AtHMA4  cDNA在酵母中表达,结果发现均提高酵母对Cd2+的敏感性,而只表达TcHMA4-C和AtHMA4-C,即编码C端氨基酸序列的cDNA,则都提高酵母对Cd2+的耐性。同时两种HMA4的表达量在根部都比地上部高,且TcHMA4较AtHMA4具更高水平的组成型表达。  

4.2  液泡膜Cd2+转运体  

  已有证据表明,ABC转运体(ATP-binding  cassettle  transporter)在Cd2+以螯合态的PC-Cd或GSH2-Cd进入液泡过程中起转运作用,如酵母中的YCF1(yeast  cadmium  factor)和人体中的MRP1(multidrug  resistance-associated  protein)。YCF1基因编码一个经MgATP激活的液泡膜转运体,承担将细胞溶质中的与谷胱甘肽S-基结合的异质物转运进液泡中。Song等发现敲除YCF1的酵母突变体DTY167在过表达YCF1后,较野生型表现更强的对Pb2+、Cd2+耐性;而在拟南芥中过表达YCF1,则能提高植物Pb2+、Cd2+耐性和积累。Tommasini等通过检索拟南芥EST数据库,查到了4个编码的氨基酸序列与YCF1和MRP1高度同源的EST,然后以EST为探针筛选拟南芥cDNA文库获得AtMRP3。在缺失GSH结合物转运活性对Cd2+敏感的酵母突变体DTY168中表达AtMRP3,则可提高DTY168对Cd2+的耐性,但其耐性仍低于野生型的。P1B-HMAs家族基因AtHMA3与绿色荧光蛋白基因融合表达显示该基因定位于液泡膜上,也可互补Cd2+/Pb2+超敏突变体ysf1细胞,AtHMA3互补突变体细胞和YCF1互补突变体细胞与野生型细胞具有同等的Cd2+积累量,表明AtHMA3执行细胞内Cd2+的隔离功能。CDF(cation  diffuse  facilitor)家族成员最先被鉴定于细菌,现已获知它还存在于酵母、动物和植物中,转运重金属Zn2+、Cd2+和Co2+等。大多数研究结果显示,CDF家族成员通过促进重金属从细胞溶质中的泌出作用包括金属离子泌出至质外体或隔离于液泡中这两种方式来提高细胞对重金属的耐性。从Thlapi  goesingence中克隆的CDF家族基因TgMTP1t1(metal  tolerance  protein),在酵母中的表达可增强酵母对Cd2+、Co2+和Zn2+的耐性。CAX2(cation  exchanger)为一低亲和性阳离子/H+反向转运体(cation/H+  antiporter),具有转运Cd2+、Mn2+、Ca2+的活性,在烟草中表达CAX2,可增加Cd2+、Mn2+向根部液泡中的运输。  



5  小结与展望  

  植物对Cd2+的耐受机制,除了上述的硫代谢响应,抗氧化响应及Cd2+跨越质膜、液泡膜转运三个方面外,根共生真菌菌丝体与Cd2+的结合作用、植物细胞壁束缚作用、有机酸络合作用、叶Cd2+向表皮毛的浓集作用,以及Cd2+胁迫下一些应激蛋白(stress  protein)对蛋白结构和可溶性方面的稳定作用等也在植物对Cd的耐性中起作用。关于Cd2+在转运过程中的形态可能多是自由离子态的,一些小分子的有机酸可能通过与Cd2+结合而参与Cd在木质部装载。Cd2+向木质部装载能力可能直接决定Cd2+在地上部的积累量,Cd2+也可能经韧皮部途径向植物果实籽粒中迁移、积累。在Cd2+胁迫下,植物体中乙烯产物的增加、相关细胞分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated  protein  kinase,MAPK)的激活,表明乙烯信号途径、MAPK途径在响应Cd胁迫的细胞信号传导中起着重要作用。  

  植物对Cd2+的耐性和富集的生理基础是相互联系的。诸如PC在Cd的长距离运输中的促进作用、液泡转运体对Cd2+的隔离作用以及叶Cd2+向叶表皮毛的浓集作用等在植物对Cd2+的耐性和富集过程中都起作用。根Cd2+向木质部的装载、叶Cd2+向表皮毛的转运及细胞溶质中的Cd2+向液泡内隔离等植物体内Cd2+的转运过程也可归结为植物对Cd2+的耐受机制。植物对Cd2+的耐性是多基因控制的数量性状,涉及硫代谢途径、抗氧化响应、Cd2+的转运等生理过程中Cd2+响应基因的差异表达。  

  关于植物对Cd2+的解毒和转运的研究,多集中在模式植物拟南芥和Cd超富集植物遏蓝菜中,后者已成为研究植物体对Cd2+解毒与转运机理的一类新的模式植物。现已知道是Cd超富集植物的除遏蓝菜外,还有Arabidopsis  halleri  ,以及我国境内的宝山堇菜(Viola  baoshanensis)和东南景天(Sedum  alfredii)等,这类植物对于研究植物对Cd2+的耐性与富集机理具有重要意义。  

  尽管对植物Cd2+的解毒和转运过程的研究取得了较多进展,但仍有不少未解决的问题,诸如植物对Cd2+胁迫响应的信号转导过程与相关Cd2+响应基因的表达调控模式、植物对土壤Cd活化吸附的根际过程、Cd2+向木质部和韧皮部中的装载过程、Cd2+向籽粒的转运积累过程等还很不清楚。此外,高亲和性Cd2+转运体是否存在于Cd超富集植物中,也有待生理生化和分子水平上的进一步研究。随着功能基因组时代到来,基因芯片、RNA干涉(RNAi)等的发展和应用,以及一些大型仪器的应用和联用诸如X-射线吸收光谱(XAS)、毛细管电泳电感耦合等离子体质谱(CE-ICP-MS)等也为上述问题的解决带来了新的可能性。对这些问题的研究将有助于揭示植物对Cd2+的耐受机制的整体过程,进而有望通过人为调控其中的一些过程,提高植物对Cd2+的耐性,增加或减少对Cd2+的吸收,应用于Cd污染区的植物修复和农业生产。  
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