植物对铝胁迫的耐性及其解毒机制研究进展

1植物对铝胁迫的耐性及其解毒机制研究进展摘要：铝毒是酸性土壤中限制植物生长的主要因子，近年来人们从各个方面研究植物解除铝毒或缓解铝毒害。从开始的施用化学物质来改良土壤的酸碱性，使作物达到高产。到后来研究发现耐铝基因型植物，通过胁迫来培育耐铝基因型品种。自从转基因技术发展起来以后，然门开始通过基因技术来改良作物的耐铝性，使作物自身来适应酸性土壤，从根本上解决作物适应环境的能力。本文通过参阅国内外相关报道和结合本实验室的相关研究，从以上几个方面的研究进展进行综述，并对将来关于植物铝毒害的研究进行展望。关键词：植物铝毒解毒机制进展在地球表层铝是含量最丰富的金属元素，大约占到总量的7%[1]。在酸性土壤中铝是植物生长的主要限制因子，铝毒主要通过限制植物根的生长来限制作物的产量[2]。酸性土壤占世界可耕地的40%，主要分布在东南亚、中亚和南非等粮食需求最大的发展中国家[3]。在我国酸性土壤主要分布在长江以南的热带、亚热带地区以及云贵川等地，面积多达204万hm2，绝大部分土壤的pH值小于5.5，其中大部分小于5.0[4]。近年来，由于工业的迅速发展，汽油、煤等工业原料的大量燃烧，导致土壤酸化，酸雨等日趋严重。土壤的酸化使土壤PH值降低，使得阳离子交换量增加，Al的交换量占土壤阳离子交换总量的1/5～4/5,导致了土壤阳离子的流失，植物必须的营养元素缺乏，植物生长受阻。Hartwell等人在1981年首次发现，铝导致大麦生长迟缓[5]。此后，国内外研究工作者开始重视铝毒害机制和铝毒害机制的研究，并开始筛选和培育耐铝植物品种，并开始有大量的相关文献出现[6],目前对植物解除铝毒害有了较深的研究，本文将对其做简单的综述。一、细胞的作用（一）、细胞壁的作用细胞壁是离子进入细胞的第一道屏障，他对铝毒离子的结合作用是植物耐铝的原因之一。该作用能阻止铝离子进入细胞原生质，是其免受铝毒的伤害。俞慧娜等人研究发现，铝最先在细胞壁上积累，随着铝处理浓度的增加逐渐积累于部分细胞器和细胞核中，其含量在细胞中的分布由外向里呈递减趋势[7]。研究发现大麦耐铝品种与敏感品种用铝处理后使用Morin荧光检测观察到，耐铝品种根尖细胞壁上铝的积累量少于敏感品种。且PEP活性变化与细胞壁上的铝积累有密切相关性，因此PEP活性在铝敏感性中可能起着关键作用[8]。研究者通过研究4种耐铝性不同的荞麦品种发现，有机酸的分泌不能完全解释耐铝性差异。其进一步研究发现在无铝胁迫下，耐铝荞麦品种根尖果胶的含量低于敏感品种，而通过铝处理后发现，耐铝品种与敏感品种的果胶含量都有所提高，且其根尖的果胶含量与铝含量呈明显的线性关系。并且利用单克隆抗体检测发现耐铝品种具有较少的低度甲脂化果胶和较多的高度甲脂化果胶，并且敏感性品种的甲脂酶活性高于耐铝品种。由此可以证明，无论植物能否分泌有机酸，细胞壁的甲脂化程度都与耐铝性有关。该实验结果还证明，荞麦耐铝性与根尖细胞的果胶含量、果胶甲酯化程度、果胶甲酯酶的活性及细胞对铝的吸附能力有关[9]。此后相关研究也发现，铝胁迫下能诱导大豆边缘细胞的死亡，且随着铝浓度2的升高和处理时间的延长，细胞的死亡率增大。由于铝胁迫下附着于根尖的边缘细胞比离体的边缘细胞有更高的活性，随着铝处理浓度的增加，根生长受抑制加剧，而耐铝品种较敏感品种有较低的PEP活性和根生长抑制率和细胞活性。铝通过与细胞壁结合加速细胞壁的死亡，可以阻止铝进入根尖和根冠分生组织，对根尖起到保护作用。此前有研究报道，松苗根部的铝的含量远远高于地上部分，约为地上部份的4-9倍，因此该研究者认为松苗吸收的铝主要积累在根部[10]。植物对大多数离子的主要吸收部位都有清楚的描述，但是还未发现有相关文献对铝离子的吸收部位有具体描述。但是相关报道认为，植物在铝毒胁迫下，根尖首先受到限制。由此，可以推断植物吸收铝的部位主要是根尖细胞，但是具体是根尖的根冠，还是根尖分生区细胞还需要进一步的研究。Kochian研究认为，植物对铝的吸收是一个被动运输的过程[11]。铝离子进入细胞以后，与细胞内的DNA、RNA、核苷酸、磷脂以及蛋白质等物质相结合，从而破坏细胞的功能结构[12]。可见，细胞膜上可能存在吸收Al离子的运输蛋白，但是转运蛋白的运输机制目前还没有文献有清楚的描述。（二）、细胞内形成无毒复合物大多数植物在铝胁迫下产生毒害症状，但是由于有些植物能够积累大量的铝所以不表现铝毒害症状。由于铝与细胞内部机构结合紧密，因此铝在这些植物细胞中一定以某些无毒的形式存在。Matsumoto等研究发现，老茶树叶的干重含铝量可达30g·kg[13]。Nagataetal等利用AI一核磁共振分析,结果显示茶叶细胞中的铝以儿茶酸一A13+的形式存在[14]。Ma等研究发现绣球花叶片中铝的干重含量可达3g·kg-1,主要以络合物AL3+一柠檬酸(l:!摩尔比)的形式存在于茶叶细胞中[15]。Ma等用50umol/L-1的铝间断处理荞麦10天以后，发现荞麦叶鲜重含铝量达2.01mmol/L·kg-1,主要以络合物草酸-Al3+(3:1摩尔比)的形式存在于细胞液中，浓度可达2mmol/L以上[16]。Al与植物体内物质结合生成无毒的螯合物是在植物体的那个部位，还没有具体的描述，在以后的研究当中应该加强Al与细胞内物质结合机制的研究，并弄清复合物是怎样转入储存部位储存的。二、植物分泌物解铝毒研究进展虽然细胞壁能够缓解铝毒害，但是其作用是非常微小的。植物还能通过分泌一些酸性物质与铝毒结合，生成无毒害形式的络合物。下面将对细胞内分泌物对铝毒害缓解研究进展做简要概述。（一）、有机酸的分泌有机酸是一种带有一个或多个羧基团的低分子量的碳氢化合物，易与金属离子发生络合反应和螯合作用，因此对植物吸收营养元素的吸收和代谢作用及植物对有毒金属的解毒作用起着至关重要的作用[17]。铝胁迫下，耐铝品种或耐铝基因型植物通过根系向生长介质中释放有机酸，如苹果酸、柠檬酸和草酸等来解除或降低铝毒，这是植物又一重要的解铝毒机制[17.18]。Kitagawa等在1986年首次报道，在铝胁迫下小麦的耐铝基因型可以分泌大量的苹果酸来提高其耐铝的能力[19]。为以后植物分泌有机酸来缓解铝毒的研究提供了宝贵的资料。在该报道出来的五年内并未引起业内人士的相关注意，但是在1991年Miyasaka等研究发现，在148µmol/L的Al胁迫下，豇豆耐铝基因型分泌的柠檬酸是敏感基因型的10倍，从而得出豇豆耐铝的机制是通过分泌大量的柠檬酸与铝发生螯合作用，从而使有毒的铝螯合生成无毒的螯合物[20]。此后，许多研究者从不同种类的植物中发现了相似的解铝毒机制。1995年Pellet等研3究发现在铝胁迫下耐铝玉米品种根尖柠檬酸的分泌量是敏感品种的7倍[21]。1997年Jorge等发现，3价铝离子可诱导耐铝基因型玉米分泌更多的柠檬酸和苹果酸，且柠檬酸分泌较为明显，分泌量是苹果酸的2-4倍[22]。其后有研究者研究证明，耐Al的决明（CassiatoraL）能够分泌柠檬酸[23]，耐铝的荞麦在铝胁迫下根尖分泌大量的草酸[24]。2002年黎晓峰研究发现，在使用Al胁迫下，铝能够诱导耐铝的玉米品种(DK789)、水稻和耐铝小麦品种Atlas66分泌柠檬酸和苹果酸。除此之外铝还能够诱导黑麦根系分泌柠檬酸和苹果酸。由以上结果证明，在铝胁迫下柠檬酸和苹果酸的分泌是玉米、小麦、黑麦、水稻抵抗铝毒害的机理[25]。2003年李德华等研究发现，3价铝可以诱导玉米根分泌更多的苹果酸，其分泌量随其处理时间而有所不同，处理3天的后其分泌量比对照增加约5倍[26]。刘鹏等研究结果表明，大豆耐铝品种在铝处理下分泌大量的柠檬酸，在铝浓度T1(50Lmol/LAl3+)时分泌量达到最大，且铝敏感品种柠檬酸的分泌量明显低于耐铝品种[26]。相关研究报道，铝胁迫能够促进油菜根系分泌柠檬酸和苹果酸[27]。王水良等人报道，在浓度0~300um/L-1铝胁迫下，马尾松根际草酸和苹果酸的分泌量随之增高。且在铝浓度低于300um/L-1时使根际与之接触，植株铝积累量与草酸和苹果酸的分泌量成正相关[28]。（二）、根尖粘液的分泌植物解除铝毒除了分泌有机酸外，根尖还会分泌大量其他的物质来解或者缓解铝毒。根尖粘液就是其中的一种。2004年李德华等发现玉米耐铝自交系Z01在铝处理3天后，可观察到根尖包被有一层可被钌红染色的黏胶状物质,估计次物质可能是玉米耐铝机制之一[29]。Henderson等的实验结果证明了该发现发现，及根系分泌的黏胶物质含有3%的酸性糖，而酸性糖含有游离的羧基，羧基可与铝毒结合[30]。研究采用悬空培养的方法对大豆进行培养并收集根尖粘液，通过对粘液分析发现，铝胁迫下能够诱导根尖粘液的分泌，且粘液中含有较高含量的糖类、蛋白质、氨基酸、有机酸等物质。且在铝毒胁迫下，糖类物质是粘液中响应最大的成分，因此糖类可能是粘液中响应铝毒的主要物质。在对大豆粘液组成成分和糖类含量测定表明，多糖是主要的成分，占粘液成分的90%，铝胁迫导致总糖含量显著增加[29]。铝能刺激大豆边缘细胞分泌粘液，在不同铝浓度和不同时间处理下，粘液层的厚度随着铝浓度的增加而加厚，且耐铝品种均比敏感品种边缘细胞分泌的粘液多。通过实验证明，大豆根尖边缘细胞分泌的粘液对根尖的保护是大豆抵御铝毒的机制之一[30]。三、通过转基因技术提高植物的耐铝性自从20世界80年代初，转基因矮牵牛研究成功后[31]使得转基因技术在植物品种的改良上得到了广泛的使用。该技术在改善植物耐铝上也得到广泛的使用，研究者在此基础上克隆了一系列耐铝基因，并转到相关植物中使其表达，得到了相应的转基因耐铝性植物，但是由于该技术的局限性，很多地方需要相应的改进之后，才能更好的为农业服务，改善植物的耐铝性，确保大多数作物能在酸性土壤中提高产量。Snowden等人在小麦铝敏感品种中分离得到7个铝诱导基因，这些基因编码的蛋白质与metallothionein-likeprotein、Phe-解氨酶、Asn合成酶和蛋白酶抑制剂相似，他们的表达量与铝的胁迫程度有关[32]。PaulB等人通过位图克隆途径在拟南芥耐铝品种中分离得到ALS1基因，该基因编码的蛋白质与ABC转运蛋白相似，GUS分析显示，ALS1：GPF结合蛋白主要集中在根细胞的液泡膜内，由此表明ALS1编码的蛋白质可能参与某些有毒物质的在细胞内4的转移，因此该基因是拟南芥耐铝毒机制之一[33]。其后PaulB等人其后又克隆了编码ABC转运蛋白的基因，命名为ALS3[34]。Richard等用拟南芥，分离了一系列铝诱导表达基因，这些基因编码SOD、Bowman-Birk蛋白酶抑制剂、谷胱甘肽-s-转移酶、氧化物酶、网状番荔枝碱/氧化还原酶同源蛋白等[35]。靳苗苗等人在紫花苜蓿(MedicagosativaL.)中克隆了柠檬酸合酶基因(MsCS)，该基因序列全长为2031bp，开放阅读框1551bp，编码517个氨基酸，且该基因育其他物种的柠檬酸合酶具有高度的同源性。并通过农杆菌导入烟草获得抗性植株，通过PCR检测该基因已经整合到了烟草的基因组中[36]。在棉花克隆到铝诱导蛋白基因与多种铝诱导蛋白基因有较高的同源性，特别是与wali7基因，由此推测该基因可能与提高植物的耐铝性有关[37]。四、化学元素解铝毒研究进展植物除了自身的解毒机制外，人们也可以通过外部条件改善土壤条件，增加作物的产量，但是这样将会花费大量的人力物力，还不能深层改善土壤的理化性质。但是关于通过改善外界条件来解除铝毒害作用任然是研究的热点，转基因技术等也还不是很成熟。虽然转基因技术在观赏植物改良上有较高的适用性，但是对农作物进行基因改良也会带来一定的负面影响，所以通过外界施用化学物质来解除铝毒害作用也有一定的研究价值。陈文荣等研究发现，在铝胁迫下，增加钙的供应量可以减轻铝对植物的毒害，显著消弱铝毒导致的植株生物量、根系活力、可溶性糖和可溶性蛋白质的及PDH活性的下降，以及游离脯氨酸含量的上升，有效提高植物对铝胁迫的抗逆性。并且该研究还发现，钙对铝的抗性成正相关，及较高水平的铝需要