植物对土壤重金属镉抗性的研究进展

6.对重金属镉诱导的ROS 进行解毒

重金属的毒性会诱导活性氧基团(ROS)的产生，比如超氧化物(O2-)、羟基(-OH)、过氧化氢(H2O2)、单态氧(1O2)等非常活跃的小分子，这些小分子能够和大量细胞成份反应，氧化各种大分子，比如核酸、蛋白质、糖类和脂肪，引起植物细胞内氧化应激反应，过剧烈的反应可能导致细胞死亡。为了抵抗这些氧化应激反应，植物细胞通过建立全面的抗氧化系统来清除过量的ROS，达到解毒的目的，这个过程主要由抗氧化酶参与，比如超氧物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)。在对重金属敏感的植物中，如果没有充足的抗氧化酶存在，ROS 水平会急速升高，由ROS 诱导的细胞内损伤会引起细胞程序性死亡，影响植物的生长发育。重金属忍耐物种通常能产生大量可清除ROS 的抗氧化酶，提供充足、有效的抗氧化防御机制来抵抗重金属诱导的氧化应激反应。镉介导的抗氧化机制主要通过提高抗氧化酶的含量和增强抗氧化酶的活性来实现，例如，镉胁迫下，在镉超富集物种中，CAT 和SOD 抗氧化酶含量的提高和活性的增强，会引起ROS 含量的减少和镉解毒能力的增强。

由镉胁迫诱导的ROS 反应机制会通过不同的防御途径来消除活性氧基团。比如，镉超富集物种圆锥南芥通过提高参与能量代谢和蛋白代谢的蛋白表达，来适应镉胁迫，纠正错误折叠的蛋白，加速植物生长;同时也能够促进植物体抗氧化防御能力和细胞代谢能力，维持细胞内氧化还原反应的平衡。类似地，在镉胁迫下，遏蓝菜具有较高的APX活性和较低的SOD 活性。

非必需重金属吸收和排出蛋白

1.生物体内可能参与非必需重金属吸收的蛋白

目前已有报道指出，硅藻体内的碳酸脱水酶的催化作用需要镉的参与，然而有毒的非必需重金属，比如镉和铅等被认为没有生物学功能。很多研究报道表明，植物在缺乏必需金属的条件下，非必需重金属Pb、Hg 和Cd 等能够通过某一种或几种阳离子转运载体蛋白运输至植物体内，这是因为非必需金属元素和必需金属元素之间存在竞争吸收。

一些报道表明，转运必需重金属的载体蛋白AtNRAMP4、ZNT1、IRT1、AtNRAMP3、AtNRAMP1等也可以转运重金属镉。水稻中OsIRT1和OsIRT2 能够转运二价铁离子，但同时对镉也有高亲和性，过量表达的OsIRT1 和OsIRT2 基因也将大幅提高水稻对镉的转运效率。存在于酵母和小麦中的LCT1，是一类阳离子转运蛋白，亲和性较低，主要参与调控小麦植株体内钾离子、钠离子和钙离子的有序动态平衡。然而，该基因的表达也能增强烟草、酵母对镉的大量吸收。最早在烟草中发现的钙调素结合蛋白—NtCBP4，通过结构分析发现它是一类非特异性的阳离子通道蛋白。过量表达NtCBP4 的植株对重金属Ni 离子的忍耐性比野生型植株强很多，其植株体内Ni2+的积累量也很少。然而，该植株对Pb2+特别敏感，研究发现植株体内Pb2+的积累量较高。

Sunkar 等研究了用转NtCBP△C(C 端CaMBD 结构域被除掉和环核苷酸结合的NtCBP4基因)基因的烟草发现，通过与转全长NtCBP4 基因的植物相比较后，转基因NtCBP4△C 的植株对Pb2+耐受性得到很大提高，而且Pb2+的积累量也减少。上述研究表明NtCBP4 很可能是Pb2+进入植物体的载体。研究以遏蓝菜的2 种生态型Ganges 和Prayon 为试验材料，在缺乏铁的条件下，观察镉的积累情况，从生态型Ganges 中成功克隆到2 种参与重金属转运的蛋白，分别是TcIRT-G 和TcIRT1-G。后续的深入研究证明了TcIRT1-G 基因的上调表达受到镉的诱导，说明TcIRT1-G 既能转运Cd，又能转运Fe。

2.参与非必需重金属排出的蛋白

非必需重金属转运蛋白包括重金属排出蛋白，该类蛋白的功能是将重金属转运出细胞质或者将重金属转运进入植物体内的细胞器，主要包含P1B型ATP 酶、阳离子转运促进蛋白家族(CDF)和三磷酸结合盒转运蛋白( ATP-binding cassettetransporter)3大蛋白家族。该类蛋白在排除重金属至非原质体、重金属细胞区室化等解毒过程中起着重要作用。

2.1 CDF 蛋白家族。CDF 家族的转运蛋白主要功能是将过量的Zn2+进行区室化隔离，也能将过量的Zn2+转运出植物细胞，从而降低Zn2+对植物细胞的危害。在拟南芥中发现的首个CDF 家族转运蛋白是MTP1，其主要功能是转运细胞内过量的Zn2+、Cd2+。在镉胁迫条件下，车前草中MTP1 会过量表达。Kobae 等使用绿色荧光蛋白(GFP)标记技术研究AtMTP1 基因在植物细胞内的瞬时表达， 发现AtMTP1 基因位于根部表皮细胞和叶片组织的叶肉的液泡膜上，因此该基因的主要功能是将Zn2+转运至液泡。该研究还证实了AtMTP1 突变体的某些器官内锌含量比野生型少很多，表明AtMTP1 的大量表达影响植物不同器官之间锌的分配。对Cd/Zn 超富集植物—圆叶南芥的研究表明，在锌胁迫条件下，其植株体内的锌含量比其它非超富集植物高出约80 倍，并且该植株还能正常生长。利用DNA 微阵列技术发现圆叶南芥的叶片中MTP1的过表达，由此说明AtMTP1 基因能缓和植株体内大量的重金属的累积。

2.2 HMA 家族。ATP 酶(HMA)属于P1B 型ATP 酶，包含多个家族成员。HMA 是一类通过使ATP 水解，利用其释放的能量来实现重金属离子跨膜转运的蛋白质，在锌、镉、钴和铅等离子的跨膜转运中起着非常重要的作用。通过比对，发现人、细菌以及植物的HMA 氨基酸序列之间有较高的同源性。然而拟南芥中存在8 种HMA。HMA1、HMA2、HMA3、HMA4是二价阳离子的载体，参与铅离子、铜离子以及镉离子的转运;HMA5、HMA6、HMA7、HMA8是一价阳离子的转运载体，比如银离子、亚铜离子等。根据目前的报道，HMA 家族的蛋白质主要参与细胞内金属离子的区室化和转运。在重金属胁迫下，HMA4 大量被表达，说明HMA 可以转运铅、镉以及锌。还有一些研究发现HMA4 和HMA2 在植物体导管部位被大量表达，这可能说明它们参与木质部中重金属离子的装卸。

2.3 三磷酸结合盒转运蛋白(ABCC 转运蛋白)。利用水解ATP 释放的能量，ABCC 转运蛋白能主动转运多种重金属透过细胞生物膜。ABCC 载体一般包含4~6 个跨膜疏水区域、核苷酸结合区域和ATP 结合区域。根据目前的研究，在拟南芥基因组中，含有125 个参与编码ABCC 转运蛋白的基因，尚有大量基因未被发现。已有的研究都表明，ABCC 转运蛋白和植物抗逆、解毒重金属有关联。目前研究得较多的是MRP 和PDR，这两个基因是参与重金属解毒的三磷酸结合盒转运蛋白亚族。AtMRP3 能装载GS-Cd 复合物;拟南芥中AtMRP3 基因表达伴随着镉浓度的升高而上调，由此推断该蛋白是一种参与重金属解毒的蛋白。从水稻分离到的OsPDR9 基因，其表达受NiCl2 及CoCl2 诱导。过量表达的AtPDR8 基因能增强植物对铅和镉的忍耐性，通过比较野生型植株和转基因植株排出的镉的含量发现，野生型植株体内含有镉离子较多，由此推测AtPDR8 有提高重金属(Cd2+及Pb2+)忍耐性的功能，具有将重金属排出细胞的作用。

结论与展望

植物抗镉胁迫的机理研究虽然已取得了阶段性的进展，但并不完整，尚有较多不明朗之处，归纳如下：(1)目前尚无植物体内特异转运重金属镉的蛋白的相关报道;(2)GSH 合成酶基因的表达与镉的抗逆关系及镉处理下拟南芥的GSH/GSSG 比例下降与GR 和APX 活性增强的代谢机制还需进一步探讨;(3)AtPDR8 在提高重金属(Cd2+及Pb2+)忍耐性的功能方面的验证性研究;(4)在重金属超富集植物中，MTs 作为ROS 清除剂的确切作用尚不明确，有望从分子水平上对镉毒害机理作进一步分析。

土壤重金属污染越来越严重，国内外对其修复治理也越来越关注。除了一般的物理化学修复，近年来，生物修复备受瞩目，而植物修复即属于生物修复的一种方式。植物修复是指利用自然生长的植物或培育植物及其根系微生物群落对土壤、水体中的污染物进行清除，是一种绿色修复技术。其优点是成本低，可以原位实施，减小对土壤性质的破坏和对周围生态环境的影响，适合大规模的示范和应用等。

本文研究了重金属镉超耐受物种的生物化学及分子生理机制，对抗性植株的筛选和更好地利用植物修复技术来治理重金属污染具有重大意义;另外，也可考虑应用基因工程技术将抗性基因或决定超富集的基因导入理想植物体内，进行基因重组和表达，从而提高植物吸附和超富集重金属的修复效率，有效治理环境污染，造福人类。以植物抗镉分子机理为理论基础的基因工程技术产生的高效率超富集植物修复技术，将重新引领环境修复行业向着高效、生态、可持续方向展开新一轮发展。

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