超积累植物的研究进展1023403 金颖摘要综述了近年来研究超积累植物吸收重金属的分子生物学机制和重金属从土壤到根际的过程、对其 的活化以及吸收。并对超积累植物进行了合理的展望，以期推动国内在这一国际热点领域的研究。关键词 根际重金属；超积累植物；吸收机理；植物修复超积累植物是指对重金属元素的吸收量超过一般植物100倍以上的植物，超积累植物积累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在0.1%以上积累的Mn、Zn含量一般在1%以上。目前已发 现400多种超积累植物，因此利用超积累植物治理土壤重金属污染的现实可能性不 断增加。而应用这 种生物治理技术需要明确超积累植物吸收和储藏重金属的机理，以及各种根际条件对吸收重金属过程的影响。采矿、冶炼、金属加工、汽车尾气排放以及农药和化肥的使用、污水污泥的扩散，重金属污染等已对全球环境造成危害。有毒重金属土壤系统污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性，因此，土壤系统中金属特别是有毒重金属的污染与防治 ，一直是国际上研究的热点和难 点。 目前常采用的物理与化学治理技术（如客土法、淋溶法、施用化学改良剂等），不仅费用昂里 Q、 需要特殊仪器设备和专门技术人员，而且大多只能暂时缓解重金属的危害，还可能导致二次污染， 不能从根本上解决问题。而利用超积累植物的蓄积、吸收重金属可以取得较好的效果，不会有二次污 染。目前对重金属的研究主要包括两个方面：重金属引起的各种退化过程、机理及重金属污染土壤的化学和生物学修复。1超积累植物吸收重金属的过程1.1根系吸收重金属的过程超积累植物可以活化土壤中不溶态的重金属。根袋（rhizobag）试验表明，土壤中可移动态Zn含量的下降占超积累植物 T. caerulescens吸收Zn总量中的不到10%，说明T.caerulescens 可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可移动态。植物的根系可以分泌质子，从而促进了植物对土壤中元素的活化和吸收。种植T.caerulescen和非 超积累植物T.ochroleucum后,根际土壤中可移动态Zn含量均较非根际土壤高,这可能与根际土壤中pH较低有关，在试验结束时，根际土壤pH较非根际土壤低0.20.4,但两 种植物对根际土壤的酸化程度没有显著差异。Bernal等对Ni超积累植物A.murale和萝卜的对比研究表明，两者根际土壤pH的变化方 式相 似，主要与阴阳离子的吸收有关，而与重金属的含量无关;N肥形态是影响根际土壤pH的重要因子，而根际土壤氧化还原电位受N肥种类和重金属含量的双重影响；根际土壤pH的降低和根系释放还原物质不是A. murale积累重金属的主要机制，因为A. murale根系在这两个方面的能力均低于萝卜根系。Pi eros等利用Cd选择性微电极研究了 Cd在T.caerulescens和T.arvense生长23周）根 中的迁，他们认为两者对Cd吸移，结果发现两者根中Cd的流动方式和流量大小没有明显差异收量的差异需要较长的时间才能表现出来。一些学者曾提出超积累植物从根系分泌特殊有机物，从而促进了土壤重金属的溶解和根系的吸收，或者超积累植物的根毛直接从土壤颗粒上交换吸附重金属，但目前还没有研究证实这些假说。1.2重金属从根系转运到地上部的过程与非超积累植物相比，T.caerulescens吸收Zn并将其从根部转移到地上部的能力明显较 高，在中度污染的土壤中，T.caerulescens积累的Zn数量是T.ochrolecum的2.55.5倍，是萝卜的2460倍,T.ochrolecum的根中积累的Zn仅有32%转移到地上部。T.caerulescens的木质部汁液中Zn的浓度大约是T.ochrolecum的5倍，说明前者在根中积累的能力比转移到地上 部的能 力更强。利用65Zn的通量试验发现,T.caerulescens与T.arvense两者根的细胞壁和细 胞质中储藏的 65Zn2+的比例相似，其流出速率(半衰期,t1/2)也相近但T.arvense在根液泡中储 藏的65Zn2+的比例 (12%)是T.caerulesvens(5%)的2.4倍，其流出速率(t1/2为260分钟)却比后 者(t1/2为150分钟)慢了 近1倍。在低Zn浓度(10LmolL-1)时，两者叶片的原生质中积累的Zn数量相同而高Zn浓度(1mmol L-1)时,前者积累的数量有增加趋势。总体上看T.caerulescens在吸收Zn过程中，Zn穿透根和叶细胞中原生质膜的速率较非超积累植物高，但目前还没有对T.caerulescens中Zn穿过液泡膜的过程进行研究。2超积累植物体内的有机物对重金属离子的螯合超积累植物体内的有机酸可降低重金属的毒性，促进重金属的运输。Ni超积累植物A.serpyllifolium中有机酸的含量比其他植物中要高。Homer等利用凝胶色谱、离子交换色谱、高电压电泳以及气相色谱)质谱对超积累植物D. gel on ioides的提取物进行了分析，发现其中含18%的Ni、24%的柠檬酸和43%的苹果酸(三者摩尔比为1B0.4B1),酒石酸的含量极低，植 物体内 的Ni主要是和柠檬酸络合。在高浓度Ni (300Lmol L-1)培养时,A.Lesbiacum的木质部汁液中组氨酸 含量明显提高，而在非超积累植物A.montanum中其含量没有变化；当在培养液中添加组氨酸 时,A.montanum耐Ni能力增强，而且Ni从根部向地上部运输的数量增加。虽然T.ochroleucum的地上部中含与T.caerulescens相似数量的苹果酸，但并不具备对Zn的超量积累和耐毒性能力，而且苹果酸与Zn的亲和力较低(络合常数pK=3.5);柠檬酸与Zn的亲和 力较苹果酸高(pK=6.1)，但其含量在T.caerulescens中很低；此外,Zn处理对两种 植物地上部中的苹 果酸和柠檬酸浓度没有显著的影响，因此苹果酸和柠檬酸在T.caerulesce ns中的作用不大。3超积累植物对重金属离子的储存在Ni超积累植物的叶片中，Ni主要积聚在表皮细胞或绒毛(trichomes)中。Przy-bywicz等利用动态分析(dynamic analysis)发现S.coronatus中的Ni主要分布在叶片的细胞壁中。Brooks等 对A.serpyllifolium的组织进行离心分离，发现72%有Ni分布在液泡中。在超积累 植物S.vulgaris中 Cd主要积累在下层表皮细胞中，液泡中储藏Cd可能是其忍耐Cd的机制；而在T.caerulescens中Cd主要分布在质外体中，在液泡中分布较少利用电子探针和X射线微分析对T.caerulescens的观察表明根中的Zn主要分布在液泡中，在细胞壁中分布较少湎叶片中的 Zn主要积累于表皮细胞，特别是亚表皮细胞中；在高浓度Zn处理中，叶片的液泡内Zn的浓度高于质 外体。植株的蒸腾作用驱动了Zn在叶片中的运输，然后积聚在近轴表皮细胞壁的质外体中。K?pper等利用能量分散X射线微分析法(energy-dispersive x-ray microanalysis)和单细胞液提 法 (single-cell sap extraction),发现在T.caerulescens的成熟叶片中Zn主要积累在表皮细胞中,而在叶绿素细胞中Zn的含量很低(表皮细胞液中Zn的含量比叶绿素细胞液中高(5-6.5倍)；估计在 成熟叶片中约有60%的Zn积累在表皮细胞的液泡中；在表皮细胞中细胞大小与Zn含量的相关性较 Ca高，说明较大的表皮细胞积累更多的Zn;表皮细胞中的液泡化(vacuolation)可能是其优先积累Zn的驱动力。4超积累植物吸收重金属的分子生物学机理超积累植物对重金属的超量吸收可能是由多基因(包括吸收和忍耐两个方面)控制的过程Penee等在超积累植物Thlaspi caerulescens中克隆到了 ZNT1基因，该基因属于ZIP基因家族 并与拟南芥(Arabidopsis)中的ZIP4基因高度同源。在缺Zn和Zn供应充足条件下，ZNT1可以在 Thlaspicaerulescens的根系和叶片中高量表达；而对于非超积累植物Thlaspi arvense,ZNT1只在缺 Zn条件下表达，Zn供应充足时，其表达明显受抑制。Conklin等在酵母Saccharomyces cerevisiae中发现了 CDF家族的两个成员，Zrc1和Cot1基因。当Zrc1或Cot1基因过量表达时，细胞耐Zn或耐Zn和Co的能力增强；而当Zrc1或Cot1基 因发生 突变时，则导致细胞对Zn高度敏感另一类与金属离子吸收有关的蛋白是Nramp家族(Natu-ral resista nee associatedmacrophage prote in s)。Supek 等在酵母中发现了一个 Nramp 家 族 成员SMF1,它编码Mn转运蛋白，这个发现使Nramp家族编码植物金属转运蛋白成为可能。5.超积累植物对根际土壤中重金属的活化5.1超积累植物酸化土壤中不溶态的重金属植物根系可以分泌质子，从而促进植物对土壤中元素的活化和吸收。根袋 (rhizobag)试验表明，土壤中有效Zn含量下降，不到超积累植物T.caerulescens吸收Zn总量的10%，说明 T.caerulescens可以将土壤中难溶态Zn转化为有效态，使得土壤中有效Zn含量下降不多17。 张淑香等研究发现，作物根系分泌的脂肪酸在根际环境中的积累，尤其是在还原条件下的积累会造成局部土壤酸性环境18。一些学者还提出超积累植物从根系分泌特殊有机物如有机酸来酸化 根际重金属，从而促进土壤重金属的溶解和根系吸收，或者超积累植物的根毛直接从土壤颗粒上交换吸附重金属的观点。5.2超积累植物螯合土壤中的重金属超积累植物能分泌某些金属结合蛋白和某些特殊有机酸来螯合重金属。一些单子叶植物在缺Fe 条件下能释放植物高铁载体，促进土壤Fe、Zn、Cu、Mn的溶解19。超积累植物也可能分泌金属结合蛋白(类似于金属硫蛋白或植物螯合肽)作为植物的离子载体，还可能分泌某 些化合物，促进土壤中金属溶解。万敏等通过对不同镉积累类型小麦根际土壤低分子量有机酸与镉生 物积累的研究，证实了植物可以通过分泌有机酸来复合或螯合溶解土壤中的Cd。5.3超积累植物还原土壤中的重金属在根细胞质膜上的专一性金属还原酶作用下，土壤中高价金属离子被还原，溶解性增加。一些植物在缺铁或缺铜条件下，根系还原Fe3+或Cu2+能力增加，吸收Fe、Cu、Mn、Mg的能 力也增加21。此外，Fe/Mn水合氧化物的吸附作用影响土壤中重金属的可移动性，当这些氧化物被还原时，则导致吸附的重金属释放S11根麻土壤匣金廉活化途径6超积累植物吸收重金属的过程6.1重金属跨根细胞膜运输根际土壤中溶解的重金属可通过质外体或共质体途径进入根系。大部分金属离子通过专一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞，该过程为一个依赖能量的饱和过程23。非必 需的重金属可与必需金属元素竟争膜转运蛋白，以离子态或金属螯合物形态进入根细胞。Lasat等发现超积累植物(T.caerulescens)与非超积累植物(T.arvense)对Zn的吸收动力学为平 滑的非 饱和曲线，开始为快速的线性动力学阶段，随后为较缓慢的饱和吸附阶段。此外,超积累 植物对重金 属的吸收具有很强的选择性，只吸收和积累生长介质中一种或几种特异性金属。例如，Ni超积累的庭荠属植物Alyssum bertolonii的地上部分优先积累Ni，而