作物根系镉滞留作用及其生理生化机制

王学华，戴 力



作物根系镉滞留作用及其生理生化机制

王学华，戴 力

（湖南农业大学农学院，长沙 410128）

一定程度的镉胁迫严重影响了作物的生长发育和农产品的产量及品质。文中全面综述了重金属镉胁迫对作物和人类的危害，以及镉在作物体内的吸收、转运和积累特征及其相关的主要调控基因和功能。简要概述了作物抗镉耐镉机制，重点讨论了其中的根系镉滞留作用的生理和生化机制。重金属镉主要通过根部吸收进入植株，在根中，Cd2+首先进入由细胞间隙、细胞壁微孔以及细胞壁到质膜之间的空隙等构成的“自由空间”，然后通过主动或被动吸收跨膜进入胞质，再经共质体或质外体途径运输到木质部导管中。水稻等作物主要通过下列途径来适应镉胁迫：细胞壁的滞留作用、原生质体的螯合作用、液泡的区室化作用、逆境蛋白和脯氨酸的积累、抗氧化酶系统活性的提高、根系的滞留作用。根系镉滞留作用作为一种重要的抗耐镉毒害的方式，在调控作物对镉的吸收、转运和分配积累，阻碍镉进入植株地上部和原生质体，减少镉对作物自身生长发育及农产品产量和品质的影响等方面起着非常重要的作用。主要包括根茎间低转运量导致的镉滞留、根系细胞壁滞留和液泡滞留。（1）根茎间低转运量导致的镉滞留。该种滞留作用主要受到根系木质部的镉装载能力和镉长距离运输载体——植物螯合肽（PCs）含量的影响；它们主要受到质膜上跨膜离子转运蛋白HMA2和HMA4以及细胞中的PCs合成酶及其相应基因（如、、等）的调控。这些蛋白和基因对木质部的镉滞留起到负调控作用。（2）细胞壁滞留作用。根系细胞壁滞留发生在质外体部分（包括细胞壁和胞间层），主要与质外体的组成成分和结构相关，其中起关键作用的是果胶多糖，半纤维素也起到一定作用。根据果胶和半纤维素滞留镉的作用方式的不同，细胞壁滞留作用可分为物理滞留和化学滞留。物理滞留主要与细胞壁的孔隙度和厚度有关，此二者均受到细胞壁果胶含量和果胶甲酯酶PME活性的影响。而化学滞留则是由半纤维素和低酯化果胶上的带负电荷基团，如-COO-等，与Cd2+发生静电结合作用所致。它们会受到和等基因的调控。（3）液泡滞留作用。液泡滞留作用与细胞质和液泡中的PCs以及液泡膜上的转运蛋白密切相关，其对镉的滞留能力大小受到液泡分隔容量大小（VSC）的限制。在液泡的镉滞留中，不同分子量大小的PCs起到了重要作用，它们参与了胞质中镉的螯合、胞质与液泡间镉的转移及最终液泡中镉的沉积。而液泡膜上的转运蛋白则负责将胞质溶液中的低分子量PC-Cd复合物通过主动运输转移到液泡内，使镉被隔离在活跃生理区之外。作物根系中，这三种重金属滞留机制先后联合作用，降低了镉向原生质体和地上部的转移，从而减轻了镉对地上部的毒害，降低了籽实等收获器官中的镉含量。然而，由于木质部中PC-Cd占总镉比例以及细胞壁电荷总量和液泡VSC大小的有限性，从而使得根系镉滞留作用的强度和效果都存在着一定的限度。

根系；镉；滞留作用；植物螯合肽；细胞壁

近年来，由于工业“三废”的排放增加，化肥、农膜的大量使用以及污水用于灌溉等，使得耕地重金属污染愈发严重，并成为制约中国农业发展的重要因素，在一定程度上影响了中国农产品质量安全、农业生产可持续性和国家生态环境安全，成为中国社会经济发展的重大障碍。据2003年报道，中国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2.0×107hm2，约占耕地面积的1/5[1]。到2010年，全国每年因重金属污染减产的粮食达100亿千克，污染超标粮食120亿千克，合计经济损失超过200亿元[2]。其中，以Cd污染问题最为突出。据统计，中国Cd污染的农田面积已达1.09×104hm2，而且还有上升趋势[3]，这将直接影响到中国粮食的食用安全。水稻具有集镉习性，能高效富集酸性土壤和水中低浓度的Cd2+，并累积于根茎和籽粒中，是吸镉能力最强的大宗谷类作物[4]。人们长期食用镉超标的大米（Cd＞0.2 mg·kg-1），会导致慢性中毒，引发肝、肾和骨骼等器官病变，并引起神经痛和内分泌失调等多种病症[5]。此外，镉污染所带来的质量安全问题，使中国部分稻米主产省份在稻谷贸易中遭受了巨大的损失。因此，控制农产品特别是稻米镉积累是提高农产品质量安全水平的当务之急，也是保证中国粮食质量安全和经济稳定发展的重要研究方向。

1 镉对作物的毒害

当作物体内的镉累积量达到一定程度时便会产生毒害作用，主要影响作物的生理代谢，从而进一步影响农产品的产量和质量。镉能够抑制作物根系的有丝分裂，阻碍伸长生长，使根系变得又短又粗，且活力下降[6-7,9]，从而影响作物水分和营养元素的吸收，降低作物光合色素含量和光合速率，抑制光合产物的输送，降低气孔导度，影响叶绿素酶活性，进而抑制光合作用[7-12]，最终导致植株矮小，生物量下降[11]，降低呼吸作用[8-9]，损坏细胞膜结构[11-12]，破坏细胞保护酶系统[9,13]，还能够抑制种子的萌发[11]，这些最终都会导致作物产量水平的下降。另外，镉毒害还能够影响农产品中氨基酸、蛋白质和淀粉等营养物质的含量[14-15]，再加之重金属的残留，使得农产品的质量和作物的经济价值大大降低。

2 镉在作物体内的吸收、转运和积累

重金属镉主要通过根部吸收进入植株，另外还有叶片吸收和表皮渗透两种途径[6]。首先，土壤中固定态的镉经根系活化变为交换态，然后通过质外体或共质体途径以被动或主动吸收的方式进入根系，再经木质部装载随蒸腾流向地上部转运，接着被分配到各组织器官之后，最终沉积下来[16-17]。

在根中，Cd2+首先进入由细胞间隙、细胞壁微孔以及细胞壁到质膜之间的空隙等构成的“自由空间”（free space），然后通过主动或被动吸收跨膜进入胞质，再经胞间连丝进行共质体运输，或由质外体运输从自由空间到达内皮层凯氏带处，再跨膜转运到细胞质中进行共质体运输[18]。水稻根内镉的吸收积累主要通过共质体途径主动吸收完成，且吸收速率主要取决于根际Cd2+浓度和品种的遗传基础[19-20]。当根际Cd2+浓度＜1 μmol·L-1时，吸收速率和Cd2+浓度呈线性正相关，且超积累品种的吸收速度明显大于低积累品种；而当Cd2+浓度超过2 μmol·L-1后，吸收速率便不再随浓度的增加而明显增加，品种间的差异也不再明显。说明随着Cd2+浓度的提高，被动运输逐渐主导了根系内Cd2+的积累[18]。

水稻根系吸收镉离子后，一部分积累在根系细胞壁和液泡中，一部分经根细胞的跨膜运输进入木质部，再通过茎秆运输到叶片、颖壳和籽粒等部位。根系中Cd2+的积累量往往是地上部分的几十倍甚至上百倍，一般为150—1 600 mg·kg-1，因品种类型、土壤理化特性和污染状况等因素的变化而变化[21-22]；而茎叶中的Cd2+含量一般为10—15 mg·kg-1，稻壳和糙米中一般为0.2—1.5 mg·kg-1 [22-24]。根和叶中的Cd2+大部分积累在细胞壁上[25]。

Cd2+在根茎之间的分配由螯合作用、区域化、吸收利用及转运共同决定[20]；同时也受胁迫时间的影响，地上部的镉积累量与之成正相关[26]。此外，镉在植株内的分配还受个体代谢中心的调控，这与一般营养元素的分配相同。在水稻开花前，植株的代谢中心为营养生长，因此，由根系向上转运的镉便主要累积在茎叶等营养器官中，而开花后，籽粒的生长发育便成了代谢中心，因此，它会吸引根系吸收的镉和茎叶中储存的部分镉流入籽粒中，并沉积下来。同时，为保护种子的正常繁殖能力，在维管组织、胚、胚乳、果皮和种皮中还存在有许多调控基因，它们的表达能在一定程度上抑制重金属在籽粒内积累。因此，稻谷中的镉有60%—75%分布在胚乳中，颖壳和皮层中则各占10%—13%，胚中仅有7%—8%[27-29]。然而就糙米中各部位的Cd2+浓度而言，则表现为：胚＞糊粉层＞果皮＞近糊粉层处胚乳＞颖果中心[30]。这主要是因为重金属元素容易与富S蛋白（如谷蛋白和球蛋白等）结合，从而使得蛋白质丰富的组织积累的重金属也较多[29,31]。

相对于根系对镉的活化和吸收过程而言，木质部的装载和运输作用被认为是水稻根系、茎鞘和籽粒镉积累量的决定因素，而韧皮部的输入则对糙米中镉含量起到支配作用[32-34]。水稻对镉吸收、转运和积累的特殊生理模式，决定了水稻各部位中镉含量的基本分布规律是根系＞茎叶＞籽粒，其中，根系中的镉含量是茎叶中的100倍，糙米中的1 000倍[22-23]。

综上所述，可认为土壤中的镉进入到稻谷中主要存在2个节点，即根基部所代表的地下与地上器官之间的界限，和穗颈节所代表的营养与生殖器官之间的界限，它们将整个过程分为了三段路径，如果能够根据三段路径中镉活动的具体特性对之进行针对性的影响，人为调控镉在三段路径中的积累分配，则可将水稻打造成为一种既能够利用镉污染土壤又能够对其进行修复的作物，即在保持稻米中安全镉含量的同时增加茎叶中镉的累积，并且适当促进根中的镉向茎叶转移，以便将之带离土壤。然而这一假想仍需要大量的科学研究作为支撑，特别是对镉在三段路径中的活动特性及其生理基础的研究。

3 作物抗镉耐镉的机制

作物在适应和抵抗逆境时主要有两种方式：逃避和忍耐；对重金属镉胁迫也一样。逃避主要是限制作物对镉的吸收，或限制镉向地上部的转运，是一种外部排斥机制；而忍耐主要强调植物体内部自身的解毒，是一种内部解毒机制[16]。水稻等作物主要通过下列途径来适应镉胁迫：（1）细胞壁的滞留解毒作用：植物细胞壁上的果胶、半纤维素和蛋白质等与Cd结合，使之沉淀滞留在细胞壁上，减少进入原生质体的镉含量，从而降低其毒害；（2）原生质体的螯合解毒作用：镉进入原生质体后，会与其中原有或诱导产生的植物螯合肽（phytochelatins，PCs）、金属硫蛋白（metallothionein，MTs）和类金属硫蛋白（metallothionein-like，MTs-like）、谷胱甘肽（glutathion，GSH）、氨基酸和有机酸等络合，形成稳定的络合物，使游离态Cd2+钝化，从而消除其毒害；（3）液泡的区室化解毒作用：原生质体中被钝化的镉通过液泡膜上的通道蛋白或运输体转运到非生理活动区——液泡内，与其中的蛋白质、糖类、有机酸和有机碱等螯合，形成更稳定的螯合物，将之限定于此，进一步解除镉的毒害；（4）逆境蛋白和脯氨酸的积累：逆境蛋白被Cd2+诱导产生之后，可以清除因镉毒害而产生的变性蛋白，维持细胞正常代谢，提高细胞抗镉性。同时镉胁迫还能够诱导脯氨酸在细胞内的累积，它通过作为渗透调节剂、抗氧化剂、pH调节剂和蛋白质合成原料来增强细胞抗逆性；（5）抗氧化酶系统活性的提高：主要是抗氧化酶类和抗氧化剂活性的提高，前者包括：超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）、谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）等，后者包括：抗坏血酸（ascorbic acid）、谷胱甘肽（GSH）和生育酚（tocopherol）等活性的提高；它们能够清除镉诱导产生的氧自由基，避免细胞受到伤害，从而提高对镉胁迫的耐性；（6）根系的滞留作用：即根系对镉的限制转运作用，它通过减少镉转运体PCs的合成来减少镉向地上部的运输量，从而降低镉对叶片等器官的毒害，增强作物耐镉性能[16,35-36]。另外，作物还能够通过根系分泌物钝化根际游离镉来减少镉吸收，以此提高自身对镉胁迫环境的适应性[16]。

以上各种方式在作物抗耐镉毒害时相互补充、相辅相成，以某一种或几种方式为主，其他方式起辅助作用，而在不同的作物和外界环境条件（包括pH、镉浓度和其他重金属含量等）中，起主要作用的机制可能也各不相同。然而不论在何种条件下，根系和细胞壁对镉的滞留作用始终都是非常关键的一种抗镉毒方式，因为它们是阻碍重金属进入植物地上部和原生质体的重要屏障。

4 作物根系对镉的滞留作用机制

作物对重金属的滞留作用是指植物体内某些具有非生理活跃性的植物器官、组织或亚细胞结构通过某些途径，限制重金属进入关键生理活动区域，以减轻其毒害的作用。众多研究发现，植物根部镉含量要远高于地上部分。之所以如此，主要是因为植物组织对镉的转运存在一种壁垒作用，其能阻抑镉从地下部向地上部转移，即表现为根系对镉的滞留作用。更深一步的研究发现，造成镉在根系中滞留的原因可能主要来自3方面：（1）根茎间较低的镉转运量，使得向地上部转运的镉离子量减少；（2）根系细胞壁的滞留作用；（3）根系细胞液泡的滞留作用。

4.1 根茎间低转运量导致的镉滞留作用

Florijn等[37]曾发现，在生物量和总吸镉量无明显差异的前提下，不同玉米品种间地上部的镉含量之间却大有不同，说明镉在不同品种的玉米植株中的转运情况不同，且其地上部镉含量的差异是由镉在植株内的分配不同引起的，而非吸收差异所致。即在总吸镉量相同的情况下，与地上部镉含量高的品种相比，低镉含量品种的根系中存在着低转运量所导致的镉滞留作用。众多研究发现，根中镉向地上部的转运量主要受到根系木质部的装载能力和镉长距离运输载体PCs含量的调控。

4.1.1 根系木质部装载能力对镉滞留的影响 研究发现，木质部的装载和运输作用是水稻根系、茎鞘和籽粒镉积累量的决定因素。镉的木质部装载和运输是指镉在植物根的木质部薄壁细胞（共质体）中经液泡膜和质膜上的转运蛋白进入到木质部导管（质外体），然后再随蒸腾流上移到茎叶中的过程。其中，木质部的装载主要受质膜上的转运蛋白所调控，而木质部的运输则可能与PCs有关。

在拟南芥中，镉在木质部的装载由和所编码的转运蛋白负责[38-39]，水稻中则由表达产物负责[40-41]，它们所在的基因家族是P-type ATPase家族中的一个亚族——P1B型ATPase重金属转运蛋白（P1B-typeATPase heavy metal associated transporter，HMA），是一类利用ATP水解产生能量使离子进行跨膜运输的离子泵[42]。该亚族的转运蛋白广泛存在于植物中，除参与植物生长发育过程中微量元素（如Cu+、Cu2+、Zn2+和Co2+）的运输之外，还能转运Cd2+、Pb2+和Ag+等重金属离子。HMA分子结构的跨膜金属结合位点具有不同的保守氨基酸序列，因此而具有金属底物特异性。另外，拟南芥中的的表达产物ATP转运体也被证明与Cd2+的跨膜进入木质部有关[43]。

此外有研究发现，在叶芽鼠耳芥根中，的同源物的增强表达使得其具有了镉和锌的超积累和超耐受性[44]。因此，通过人工调控这些转运蛋白基因的表达，从而影响作物根系对镉的滞留作用，将成为改良作物重金属积累和耐受特性的一个重要研究方向。

4.1.2 根中PCs合成量对镉滞留的影响 张福锁等[45]发现BSO（buthionine sulfoxinmine，即丁胱亚磺酰胺）能够显著降低玉米木质部汁液中镉的含量和玉米中可溶部分镉的比例，而BSO是一种对植物生长无抑制作用的谷胱甘肽合成酶抑制剂，通过抑制植物螯合肽PCs的前体GSH的合成进一步抑制PCs的合成。因此，推测植物PC的化合物可能参与了木质部中镉的运输。进一步的试验发现，不同玉米品种间镉在根和地上部分配量的差异主要是由于PCs的合成和代表从根向地上部长距离运输的可溶化合物Cd-PCs复合物的形成量不同所致，并且相应地上部累积镉多的玉米品种其根中合成的PC也多。在一些植物中，PCs在吸收和转移镉的过程中起着重要作用，Cd-PC复合物为镉在植物体内的运输构成了可移动形态。其他在水稻[45]、马蔺[46-47]和多年生黑麦草[48]上进行的Cd+ BSO试验也发现BSO在降低植物地上部PCs量的同时也减少了地上部的镉浓度。

另外，高慧文等[49]对不同镉积累基因型烟草根系镉螯合能力的研究发现，根系PCs合成能力的不同使得高低两种镉积累型烟草的根系镉滞留能力之间存在较大差异，表现为高镉品种的根系镉向螯合态转化能力和结合能力都明显高于低镉品种。此外还有研究发现，转入并过表达大麦PCs合成酶基因后，镉胁迫下的水稻体内NPT和PCs的合成量显著增加，同时地上部的镉积累量也发生了增加[50]；表明PCs的合成能够影响水稻植株中镉向地上部的转运，从而影响镉在根系中的滞留。

4.2 根系细胞壁对镉的滞留作用

在不同细胞结构中，镉含量分布表现为：细胞壁＞细胞质和液泡溶液＞细胞器[35]；由此可知，植物细胞壁对重金属镉也存在一定的滞留作用，特别是根系细胞壁。同时，Cd在水稻亚细胞组分中的分布存在品种间差异，在水稻根部，耐镉品种的细胞壁组分对Cd2+的滞留作用要强于不耐镉品种；且细胞壁主要通过自身含量丰富的亲Cd物质和阳离子交换位点固定Cd2+，而非利用PC等的螯合作用[35]。

其实，关于细胞壁对重金属的滞留作用已早有报道，并认为植物细胞壁与胞间层组成的质外体是阻碍重金属进入原生质体对其造成毒害的第一道屏障[16,51]。在植物细胞中，细胞壁主要分为3层：中层、初生壁和次生壁；中层主要由果胶和蛋白质组成；初生壁具有纤维素微纤丝的刚性骨架，果胶、半纤维素和糖基化蛋白镶嵌其中，而次生壁则由纤维素、半纤维素和木质素组成，质地坚硬。且这些组成物质具有大量的羧基、羟基、醛基等活泼基团，在Cd穿过细胞壁进入细胞时，会有一部分的Cd被其吸附，固定在细胞壁上，从而阻止大量的Cd进入原生质体内，减轻镉对植株的毒害作用。

然而，由于植物细胞壁组成的复杂性，使得其对重金属滞留作用机制也变得复杂。当前研究最多的是果胶对重金属的影响，也有部分学者认为半纤维素也能够固定进入细胞壁中的重金属，另外，有少数研究发现，细胞壁厚度也可能会影响重金属在其中的透过率。

4.2.1 细胞壁果胶对镉的滞留作用 众多研究认为，在细胞壁众多的组成物质中，对结合沉淀重金属离子起到主要作用的是果胶，因为果胶是胞间层以及中层的主要组分，并含有大量带负电荷的羧基。它不仅决定细胞壁的孔隙度，而且还能使其具有带电性。这也正是它能够阻碍Cd2+通过细胞壁的2种机制，本文称之为果胶的物理滞镉作用和化学滞镉作用。

有报道表明，细胞壁的孔隙度与重金属镉的转运有关。研究发现[52-53]，Si能够通过降低细胞壁的孔隙度来使Cd更多地沉积在细胞壁上，从而减少Cd的向上运输。而果胶含量的增加以及果胶甲酯酶PME活性的增强也能够降低细胞壁的孔隙度。Gabriel等[54]研究发现，低温诱导的PME活性增加可能导致胞壁中钙离子桥的形成增加，从而降低细胞壁的孔隙度。因此，推测果胶可能通过降低细胞壁的孔隙度来降低镉在细胞壁中的透过率。

果胶多糖是由α-1,4-连接的半乳糖醛酸链，其最主要的特点是甲基-酯化，其在一定条件下经果胶甲酯酶PME作用去酯化后，能够为细胞壁提供大量的带负电荷的游离羧基与进入其中的金属离子结合，使之暂时或永久固定在细胞壁中。Xu等[55]研究发现，镉处理能够大量增加拟南芥根系细胞壁中果胶含量和PME活性，增加低酯化果胶的量，从而增加细胞壁对铁的结合能力和铁在根系中的滞留，阻碍其向地上部转运，使叶片表现出缺铁症状。由此推测，通过其他方法增加根系细胞壁中低酯化果胶的含量或许也可以增强细胞壁对镉的滞留作用。而Zhu等[56]的研究从反面验证了这一猜测，当对拟南芥进行P缺乏处理时，会严重降低细胞壁中果胶含量和PME活性，同时也降低了镉在根系细胞壁中的滞留量。另外，Li等[57]对不同镉积累特性的东南景天的研究发现，镉超积累型品种（hyperacc- umulating ecotype，HE）通过加强细胞壁中的镉向木质部及地上部的转移而达到超积累的效果，而非超积累品种（non-hyperaccumulating ecotype，NHE）则通过使细胞壁中果胶含量及PME活性高于HE，而增强根系细胞壁中镉的滞留数量和稳定性，从而减少木质部中镉的流入量。除此之外，关于细胞壁中果胶对其他重金属的化学滞留作用的报道也还有很多，此处便不再一一列举。

据果胶与金属离子间的作用原理可知，果胶对镉等重金属的滞留作用主要依赖于以下几个方面：（1）细胞壁果胶的电荷总量和电荷密度，这与果胶含量和PME的活性密切相关；（2）介质溶液中的离子浓度，包括离子本身的浓度和其他金属离子的浓度；（3）阳离子与果胶间相互作用的强度，Dronnet等[58]发现，几种金属离子与果胶结合能力的大小顺序为：Al3+＞Cu2+=Pb2+＞Cd2+＞Zn2+＞Ca2+；（4）细胞壁的pH[59-60]。因此通过影响上述几个条件，便能够调控细胞壁对镉的滞留作用。

虽然果胶能够通过物理或化学滞留作用使重金属被固定在植物根系细胞壁中，然而关于其对植物抗耐重金属毒害的效益，却仍然众说纷纭。Xiong等[61]认为，增加镉在根系细胞壁中积累有利于增强水稻的耐镉性。当对水稻营养液进行适量的外源NO处理时，可以显著增加水稻根系细胞壁中果胶和半纤维素的含量以及镉积累量，减少了叶片细胞壁和原生质中的镉积累，最终缓解了镉胁迫对水稻株高、生物量和叶绿素含量的影响，增强了水稻耐镉性能。Li等[57]关于东南景天的研究也说明了根系镉滞留量的增加有利于减少地上部分的镉积累。Magdalena[62]的报道也认为，根系细胞壁的滞留作用降低了微量元素通过其迁移到达原生质体中的通透性，它可以被看作是植物防御和适应过量微量元素土壤环境的策略，特别是低酯化果胶数量的增加。

然而，就铝胁迫而言，根系细胞壁中果胶水平和铝滞留量的增加并没有被看成是植物的一种忍耐策略，反而被看成是一种敏感特征，其结果是植物根系和个体生长受到抑制。Sehmohl等[63]研究了细胞壁果胶含量与玉米悬浮培养细胞对铝毒敏感性的关系，发现果胶含量高的细胞对铝毒较为敏感，并且果胶的甲基化程度越高，玉米悬浮培养细胞对铝毒的耐性越强；唐剑锋等[64]、潘伟槐等[65]和刘家友等[66]也分别在小麦、大麦和豌豆中发现了这一点。他们的研究认为，细胞壁中较低的果胶含量和较高的果胶甲酯化程度是植物的一种斥铝机制，能够减少根系中的铝含量，从而降低铝对植物根系的毒害作用。这似乎刚好同果胶与植物耐镉性的关系相反。

综上所述可以发现，虽然关于根系细胞壁的重金属滞留作用对植物体抗耐重金属性能的影响各不相同，但是它们之间也并不矛盾，因为各方的着眼点并不相同。认为滞留作用能够增强植物耐镉性能的研究主要依据是根系细胞壁中镉的积累量增加后，向原生质体以及地上部分转移的量便会减少，从而减少了镉对地上部的毒害作用，提高了植株的耐镉性能，然而其对根系所受的镉毒害并没有直接的探究。而认为滞留作用能够降低植物耐铝性的研究则与之相反，他们的主要着眼点是根系细胞壁中的铝含量增加后对根系本身的毒害作用便增强了，从而抑制了根系的生长和伸长，降低了植物的耐铝性能，可是其对地上部的铝毒害却也没有直接的证明。前者主要注重的是在根系相对吸收量不变的情况下，增大根系细胞壁对重金属的固定量，则可以减少重金属向原生质体和地上部的转运量，表现出一种滞留重金属的效应，侧重的是转运环节；而后者主要注重的是减少根系细胞壁的固定量，就能够减少重金属进入根系的量，从而能够减少对根系的抑制作用，表现出的是一种排斥重金属的效应，侧重的是吸收环节。其实中间所涉及的问题实质上就是根系细胞壁滞留重金属离子对根系伸长的负效应与减少重金属对原生质和地上部毒害的正效应之间的比较衡量问题。而本文认为，无论如何证明，细胞壁和根系的重金属滞留作用对根系自身生长所导致的负效应是无法避免的，而其对原生质体和地上部分所带来的正效应也是不可忽视的。探索如何尽可能地降低滞留作用的负效应，同时尽可能地增强其正效应才是研究这一问题的关键所在。

4.2.2 细胞壁半纤维素对镉的滞留作用 据郑绍建[67]报道，半纤维素作为一种能够溶于碱且性状介于化学惰性的纤维素和富含带电基团的果胶之间的细胞壁多糖，也参与了细胞壁对重金属的滞留作用。Zhu等[56]发现，在缺P条件下，拟南芥根系细胞壁中的半纤维素含量发生了减少，使细胞壁中的镉滞留量也出现降低。另外还有研究发现[68]，当对拟南芥进行外源生长素处理时，能够促进其根系细胞壁中半纤维素1含量的增加，这进一步导致了根系细胞壁对镉滞留量的增加，从而减少了镉向地上部的转运。然而，由于半纤维素成分的复杂性以及其与果胶之间存在着某些相互作用，使得对其滞镉机理研究的难度变得较大，从而造成当前对其所进行的研究也比较少。因此，半纤维素对细胞壁滞留作用的影响及其机制将成为该领域未来发展的一个重要方向。

4.2.3 细胞壁厚度对镉滞留的影响 据Magdalena[62]报道，植物根系细胞壁厚度的增加可以通过限制大量的重金属转移至原生质体中，将重金属结合固定在带负电荷的组成物质中，并合成胼胝质和脂质复合物以形成障碍阻止离子向细胞内迁移，从而保护植物细胞不受重金属的毒害和破坏。Liu等[69]和Probst等[70]在生长在重金属超标土壤上的蚕豆中也发现了这一现象，并且Liu等[69]认为，加厚的细胞壁的阻碍作用与过氧化物酶活性增加和细胞壁木质化的作用有关。而Probst等[70]则发现，细胞壁的加厚部分包括两层：紧密的外层包含大量的电子密集且大小各异的微粒，其中，包含Pb、Zn和Cu等元素，而较紧密的内层则包含不带电子的微粒。

4.3 根系细胞液泡对镉的滞留作用

对于作物根系对重金属镉的滞留作用，除了根茎间低转运量和细胞壁固定之外，液泡区室化作用的贡献也是非常大的。Hart等[71]研究认为液泡对镉的区室化作用是阻止其向地上部运输的有效途径。Huang等[26]则发现，根系细胞液泡的分隔容量大小（vacuolar sequestraion capacity，VSC）对镉在植物根系中的滞留作用具有重要的影响，增加VSC大小可以增强镉在根中的滞留。

植物根系液泡对镉的滞留作用与细胞质和液泡溶液中的有机酸（如柠檬酸、草酸等）、GSH、PCs和硫化物以及液泡膜上的转运蛋白有关；其中PCs和各种转运蛋白在此过程中起到关键作用。游离的Cd2+透过细胞壁并经细胞质膜上的离子运载体进入到细胞质溶液中之后，溶液中带负电荷基团（如-COO-、-S-等）的化合物便与之结合形成结合态或螯合态物质，以减少其毒害作用。其中，当胞质溶液中的PCs（主要是PC2和PC3这些短链PC）与Cd2+结合形成低分子量PC-Cd复合物（LMW）后，它们就会在液泡膜上的转运蛋白的作用下被转移到液泡中，进而与其中的Cd和硫化物形成高分子量PC-Cd复合物（HMW）[72]。有研究报道，液泡中的HMW并非Cd在其中的储存状态，而是在一定时间后，HMW会分解回收其中的-SH物质，而其上的Cd则与液泡中的无机硫化物或磷酸根离子结合生成沉淀物，并且沉淀物的数目和颗粒大小随镉浓度的增加为增大[73]。此外，进入液泡后的Cd也并非完全被储藏于此，还有一部分会重新透过液泡膜回流到细胞质中，并被装载进入到根木质部中而随蒸腾流运送至地上部分；而这一部分回流的镉的量则可能与液泡VSC大小有关。尽管如此，液泡的区室化还是大大增加了重金属镉在根系中的滞留量，从而减少了镉的向上转运量。因此，不同作物根系细胞液泡的VSC大小及其调控机制研究将是未来改善作物镉累积和耐受特性研究的一个重要突破点。

影响液泡镉滞留能力的重要因素除了VSC大小之外，还应该包括液泡膜上的转运蛋白。其中作用较突出的主要有ATP结合转运器（ATP-binding cassette，ABC；又称为ABC转运蛋白）如转运蛋白HMT1、HMA转运蛋白如（拟南芥）和（水稻）编码的转运蛋白HMA3以及阳离子反向运输器（cation/H+antiporters，CAXs）。

ABC型转运器是一类种类多、分布广、转运物质类型多样的跨膜转运器。植物中较早发现的液泡膜ABC是HMT1，它通过依赖于ATP的方式把PC前体、LMW复合物和富硫HMW复合物转入液泡中[72]。且有研究发现，液泡膜上的增量转录表达可以增加其中的HMW含量，并使植物的耐重金属能力得到提高[74]。

HMA3也是HMA家族的重要成员，其在拟南芥和水稻中的编码基因分别为和，它是一种质膜蛋白，主要在根中表达，能够将根细胞质中的Cd转移到液泡中隔离起来，因此而减少镉向地上部的转运量[41]。

CAX则是一种定位于液泡膜上的Ca2+/H+交换器，它可将Cd2+与H+进行交换，从而使镉被固定在液泡中[75]。其中CAX2和4对Cd2+的转运具有高选择性，而且CAX4能够提高Cd2+与H+的交换量和初始交换速率，其二者的表达能够增加根系中的镉积累量[76]。

图2 镉在作物体内的吸收、运输和积累过程及其主要调控基因

5 作物体内镉吸收、运输和积累过程的分子调控机制

5.1 根系外排作用调控基因

拟南芥中的编码产物可介导Cd的根系外排过程，减少对镉的吸收[43]。PDR8是一种定位于质膜上的ABC转运蛋白，存在于大部分细胞中，但在根毛和根表皮细胞中的活力最强。的过表达可增加植株对镉的外排，增强植物耐镉能力和降低植株镉含量，而其表达缺失或下调的结果则相反[43]。

5.2 细胞壁滞留作用调控基因

当前已知的调控基因主要有家族（果胶甲酯酶基因）和，其中水稻家族成员的超表达可显著提高转基因水稻根尖细胞壁中的果胶甲酯酶活性和重金属滞留量[77]。则是拟南芥根系中发现的一种编码β-甘露聚糖酶的基因，其表达蛋白能在细胞壁中降解半纤维素得到甘露糖，甘露糖则能够与镉结合并被吸附在根部的细胞壁上，最终使得植株根系和细胞壁上的镉积累量增加；即的表达能够增强拟南芥根系细胞壁对镉的滞留作用[78]。此外，细胞壁果胶合成酶及半纤维素合成酶相关基因可能也与细胞壁镉滞留有关。

5.3 质膜吸收调控基因

细胞对镉等重金属元素的吸收依赖于质膜上的离子通道蛋白，其重要调控基因主要有：、和；此外、和对质膜的重金属吸收也有一定的影响。是质膜上的Zn转运蛋白编码基因，有研究表明它也能够调控Cd的吸收转运[79]。编码的细胞膜金属转运蛋白主要转运Cd、Mn和Zn，其表达显著受到Cd处理的影响[80]；在内皮层和中柱鞘细胞中表达，参与根系中Cd吸收进入中柱鞘和根茎间Cd转运过程；其在高镉积累品种中的表达量要高于低镉积累品种，且其在根中的表达量越高，对镉的吸收能力便越强，茎叶中的镉积累量也越大[81-83]。另外有研究表明，Si处理可以上调在根中的表达[84]。和的表达产物是定位在质膜上的铁离子转运调控蛋白，负责根内、外皮层中Fe2+的吸收，同时也具备有Cd吸收能力；过表达或和可增加镉的积累[34,81,85]。而在根和叶中，IRT1的表达可被镉下调而被Si上调[84]。

是一种质膜H+-ATP酶基因，主要在根系外表皮和皮层细胞中表达，而在根茎交接处的微管组织中的表达量最高；被证明具有一定的调控镉吸收和木质部装载的能力。的过表达可增强质膜H+-ATP酶活性，增加柠檬酸的分泌；柠檬酸可使Cd2+变成危害较小的螯合态，从而促进其吸收和向地上部的转运[86-87]。NRAMP5也是一种细胞膜金属转运蛋白，定位于质膜外侧，其基因表达部位仅限于根系的内、外皮层和皮质的外层以及木质部周围的组织中[88]；是Mn、Fe和Cd转运到根内部主要的通道[34]，同时具备一定的木质部装载能力[89]；其基因表达缺失或下调均能大大地降低根对镉的吸收，降低茎杆和籽粒中的镉含量[90]。而定位在原生质膜和细胞壁上的编码蛋白，其表达或过表达均能降低镉的积累，增强拟南芥的镉耐性，其功能表现为阻止Cd进入植物细胞[91-92]。

5.4 液泡滞留作用调控基因

主要有、、、、和、，其中和表现为负调控。是P1B-ATP酶基因之一，编码液泡膜上的转运蛋白，主要在根部表达；并具有将根系细胞质中的Cd2+转运到液泡中进行隔离储存的功能[80,93-94]。在水稻中它存在2个等位基因：和，其中前者为功能等位基因，对根系细胞液泡固定镉起到重要作用，从而负调控Cd的木质部装载过程；而后者为非功能等位基因，它无法作用于根细胞液泡对镉的固定过程，因而导致了根茎间较高的镉转运率[93-95]。与的蛋白产物在第80位少了一个关键的氨基酸，从而导致二者的功能差异[93]。而在东南景天中则存在超积累（）和非超积累（）两种生态型基因，前者编码Cd特异转运蛋白，而后者编码的转运蛋白既可以运送Cd，也可以运送Zn[80]。过表达功能等位基因可导致高镉土壤所产稻谷中的镉含量急剧下降，而其表达缺失则能增加根茎间的Cd转运量[93]。此外，在重金属胁迫下，Si可抑制的表达[96]。

和是ATP结合盒蛋白基因家族的2个成员，通过利用水解ATP为金属离子的主动运输提供能量；其表达定位于液泡膜上，能将Cd-PC由胞质转移到液泡中。在拟南芥中过表达可增强植株的Cd耐性和累积[41,97]。为阳离子反向转运子基因，它们定位于液泡膜上，其中，和具有介导Cd2+转运进入液泡中固定储存的能力[98]。研究发现，超表达和后，烟草根系和地上部的镉含量均较野生型植株显著提高[99]。

和的产物定位于液泡膜上，是Cd、Mn和Fe的转运蛋白[80]，其表达部位为根和叶中，主要功能是将液泡中的Cd、Mn和Fe转运泵出液泡以维持细胞内金属离子动态平衡[89]。表达或过表达和可增加液泡中镉向细胞质中的转运量，从而增加拟南芥对镉的敏感性[81,100]；因此，它们负调控液泡的镉滞留作用。

5.5 木质部滞留作用调控基因

主要包括木质部装载调控基因和及运载体合成基因，此外、和对镉在木质部的活动也有一定的影响。是一种定位于质膜上的Zn高亲和转运蛋白的编码基因，主要在根系中柱层和禾本科作物茎节的韧皮部维管束周围细胞中表达，能够将Zn和Cd从根系细胞装载进入木质部再向上转运到地上部分，同时还参与Zn和Cd通过韧皮部向发育中的组织和种子中分配的过程[34,89,101-103]；抑制表达可降低水稻叶片中Zn和Cd的含量[102-103]。在重金属胁迫下，硅酸盐可下调的表达[84,96]。主要在根木质部维管束周围的薄壁细胞中表达，其蛋白产物定位于细胞膜上，是一种能够将Zn和Cd装载到木质部导管中的膜转运蛋白[33,38,44,104]。的过表达能够增加茎中Zn和Cd的含量，而其表达缺失则会导致Zn、Cd由根向地上部转运量的降低[38]。

PCs合成酶基因在镉等重金属的胁迫诱导下发生表达，使植物细胞内合成大量的PCs，这些分子量大小不同的植物螯合肽与Cd2+等结合后形成PC-Cd复合物，这样一方面降低了其毒害，增强了植物对重金属的耐受能力，另一方面却也促进了Cd向地上部的转运；因为在导管中上移时离子态镉容易受到导管壁上带负电荷基团的静电作用而发生结合滞留，而PC-Cd则能够帮助它不受静电作用影响。有研究发现，在水稻中的表达能够增加水稻地上部的镉积累量[105]；过表达则能够增强拟南芥中Cd和As的耐受和累积[106]。另外，硅酸盐可上调的表达水平[84]。

阳离子扩散促进因子家族（cation diffusion facilitator，CDF）又称为金属耐受蛋白（metal tolerance protein，MTP），它们是一类定位在质膜上的二价阳离子转运蛋白；对高效转运Cd和Zn具有重要作用[107]。水稻基因组中有10个MTP基因，其中的表达下调可增加水稻根系中Zn、Cd的积累量，降低茎杆和叶中的含量，但不影响根系对重金属的吸收，从而表现为影响重金属在根和地上部之间的转运[89,107]。

5.6 其他重要调控基因

在作物体对镉的吸收、运输和分配积累过程中，除了以上几类基因的作用重大之外，、、和等基因的作用也不可忽略的。是一种定位与细胞质和细胞核，在植株维管组织和叶片韧皮部伴胞中表达的普通水溶性蛋白基因，参与植物体内Cd的吸收和积累过程，其表达下调或缺失可以显著降低水稻茎叶和籽粒中的镉含量[108]

和则是水稻中的2种硅转运基因，前者定位于细胞远端，后者则仅限于细胞的最近端，它们被环境中的Si诱导表达，与水稻体内硅的吸收、积累和流出密切相关。研究发现，经Si处理后，水稻中的和发生显著上调，从而有利于Si的吸收[84]；而硅的注入和流出又能够调控水稻植株细胞质膜上的一系列基因的表达，如下调、和的表达，上调、和的表达，从而影响植物体对镉的吸收和转运[84,96]。同时，Si在细胞内的大量积累也有利于减少重金属的注入。研究表明，Si积累细胞与Si限制细胞相比，显著降低了Cd2+的注入。据报道，细胞总量中64%的硅被束缚在细胞壁半纤维素组分中，由Si和半纤维素构成的带负电荷的界面与进入细胞壁中的Cd2+结合形成复合物使之沉淀于此，从而减少了根系对镉的吸收[96,109]。

是一种低亲和性阳离子转运蛋白基因，其表达产物定位于质膜上，通常在大维管束周围及分散的维管束中表达，具有阳离子外运活性，参与Cd2+的上移，对Cd经韧皮部向水稻籽粒中的运输分配具有调控作用[110]。生殖生长阶段，在叶片和茎节中具有较高的表达水平，特别是在穗颈节中，其主要在与穗相连的分散维管束中表达[33-34]。被敲除或表达失败后，并不影响Cd2+在木质部的运输，但是减少了韧皮部的镉含量和谷粒中的镉积累量[110]。此外，硅酸盐可下调的表达[84]，而其表达失败或下调并不影响其他金属元素含量和植株生长[110]，因此该基因在低镉积累品种选育中具有极大的应用潜力。

6 总结与展望

为减少重金属镉向地上部及关键生理活动区域的转移，增强作物的镉耐性及降低籽粒镉含量，作物根系对镉存在着一系列的滞留作用：

6.1 根茎间低转运量导致的镉滞留作用

主要受到根系木质部的装载能力和镉长距离运输载体PCs含量的调控。Cd在作物根系木质部的装载主要由和编码的跨膜重金属转运蛋白负责，它们能够将Zn和Cd从根系细胞装载进入木质部导管再随蒸腾流向上转运到地上部分。这两个基因的表达缺失会导致Zn和Cd由根向地上部转运量的降低，从而有利于降低地上部及籽粒的Cd含量。PCs的含量则受PCs合成酶及其基因（）的影响。表达量的降低能够降低水稻植株地上部的镉含量。PCs合成前体GSH的合成酶抑制剂BSO可降低玉米木质部汁液中的镉含量，减少镉在籽粒中的累积。此外，金属耐受蛋白1（MTP1）基因的表达下调也可增加水稻根系中Zn、Cd含量，降低茎杆和叶中的含量。

6.2 根系细胞壁对镉的滞留作用

主要由果胶、半纤维素和细胞壁厚度对镉的滞留作用组成。果胶的滞留作用主要是在果胶甲酯酶（PME）的作用下，果胶去酯化后产生大量的带负电荷的游离羧基，它们与进入细胞壁中的Cd2+静电结合，使之被固定在细胞壁中；这一过程被成为：果胶的化学滞留作用。果胶甲酯酶基因的过表达可提高水稻根尖细胞壁中的果胶甲酯酶活性和重金属滞留量。此外果胶还可以通过降低细胞壁的孔隙度在一定程度上来降低镉在细胞壁中的透过率，从而减少镉向原生质体的转移量；这一过程则被称为：果胶的物理滞留作用。半纤维素对镉的滞留作用与果胶相似，也是依赖于其上的负电荷基团与Cd2+结合而使之固定，然而人们对其具体机制仍还不清楚，还有待于研究。半纤维素降解酶（β-甘露聚糖酶）能够将之分解形成甘露糖，并与Cd2+结合后被吸附在根部细胞壁上，增大根系和细胞壁对镉的滞留量。该酶受到的表达调控。同时，根系细胞壁厚度的增加可以通过延长Cd2+透过细胞壁的路径，增加带负电荷结构的量及形成胼胝质和脂质复合物屏障来阻止Cd2+向原生质体迁移，从而增大细胞壁的镉滞留量。

6.3 细胞液泡对镉的滞留作用

细胞液泡是组织镉向地上部运输的有效途径；其作用大小主要受液泡的分隔容量大小（VSC）和液泡膜上的转运蛋白有关。当前关于细胞液泡VSC的研究还非常少，而液泡膜上的转运蛋白则主要有ABC转运器（如HMT1）、HMA3和CAX。它们的调控基因的表达或过表达均有利于Cd-PC或Cd2+由胞质转移至液泡中，从而增加根系液泡中的镉积累量，减少镉向地上部的转运。

此外，水稻中的2种硅转运基因和对水稻根系的镉滞留作用也影响重大，它们通过调控Si的吸收，一方面影响、和等基因的表达，另一方面使Si和细胞壁中半纤维素构成带负电荷的界面，与进入其中的Cd2+结合形成复合物而使之沉淀于此，最终影响根系中Cd的滞留量。

当前，人们虽已对作物根系镉滞留作用的理论机制有了较深入的了解，但是若要很好地将之运用于解决实际生产和生活中的诸多问题，则仍还有较多命题需要科研工作者们去继续努力探索：（1）镉在木质部装载及运输中的主体形态问题。当前虽有报道认为在木质部的转载和运输过程中既有Cd2+的存在也含有PC-Cd，但它们二者哪一种是主体却仍不清楚，而这却与根系木质部对镉的滞留作用密切相关。假若主要以PC-Cd形式存在，那么根系中PCs的合成量对镉滞留作用的影响则较大；而如果主要以Cd2+形式存在，便会大大减弱根茎间低转运量导致的镉滞留作用对镉上移的阻挡能力，然而此时Cd2+也会受到导管壁上的负电荷基团的影响而发生固定滞留。因此，镉在木质部装载和运输中的主要形态问题对作物根系镉滞留和茎杆木质部导管壁镉滞留的研究具有重要意义。（2）半纤维素在细胞壁镉滞留中的具体作用机制问题。现有较多报道确定了半纤维素在细胞壁的镉滞留作用中起到较大的作用，但是由于其自身成分的复杂性以及与果胶之间存在着某些相互作用，使得对其滞镉机理研究的难度变得较大，对其所进行的研究也就比较少，从而便难以对其进行较好地认识和应用。因此，半纤维素对细胞壁滞留作用的影响及其机制将成为该领域未来发展的一个重要方向。（3）液泡分隔容量大小的研究。有研究发现植物根系细胞液泡的分隔容量（VSC）大小对镉在植物根系中的滞留作用具有重要的影响，增加VSC大小可以增强镉在根中的滞留。然而对于VSC如何影响液泡镉滞留作用？VSC大小的影响因子有哪些？作物自身如何对其进行调控管理？以及其大小在不同作物或同种作物的不同品种之间是否存在着差异？存在着怎样的差异？等等问题都还有待于研究。这些对于发掘和利用根系细胞液泡的镉滞留作用具有非常重要的意义。（4）以细胞壁镉滞留作用为基础的“作物获得性镉耐性”和“作物耐镉积镉种质资源的选育及遗传改良”研究。众多研究发现，对于细胞壁镉滞留作用贡献重大的两个重要性状：细胞壁果胶含量和甲基化程度，除与重金属胁迫有关外，还受其他一些非生物胁迫的影响。干旱胁迫和冷驯化均可以提高作物细胞壁中的半乳糖醛酸或果胶的含量，诱导基因的表达上调[111-113]，增强果胶甲基酯酶的活性[114]。而且低温诱导的果胶甲酯酶活性增加依赖于油菜素内酯信号途径；低温胁迫能够增强油菜素内酯信号的转导；外源施加1 μmol·L-1eBL（油菜素内酯）也能够诱导果胶甲基酯酶活性持续升高[115]。此外，施B肥[116]、外源NO处理[61]和缺P胁迫[56]也能够增加作物根系中果胶和半纤维素的含量，提高PME活性。因此，作者认为如果能够人为使用上述或其他栽培措施在作物生长的某一阶段（如苗期）对其进行处理，可能会较持久地改变作物原有的细胞壁特性，从而使得原本不耐镉或镉积累特性不理想的作物品种后天获得较强的镉耐性或改善镉积累特性，最终能够很好地满足人类生产和生活需求。然而更多的措施和具体处理效果还有待于试验研究。另外，由于作物的在耐旱、耐冷以及耐镉胁迫中在细胞壁的半纤维素果胶含量和果胶甲酯酶活性方面存在着一定的共通之处，因此，如果能够依此在现有的不同耐旱和耐寒性作物种质资源中筛选耐镉或理想镉积累特性的作物品种，也许能够极大地拓宽特定镉耐性和积累特性作物新品种选育的途径，增加其种质来源，促进新品种的快速选育。当然，这三者在细胞壁特性方面的具体关系，以及以此作为特定镉耐性和积累特性作物新品种选育的依据的可靠性还有待于进一步试验验证。此外，如何针对各种滞留作用的生理生化调控机制对其进行相关基因的沉默或过表达，以及转基因等遗传改良处理，获得理想的积镉耐镉作物新品种，将是未来该领域研究的重中之重。（5）根系镉滞留的负面效应和作用效果有限性的克服问题。最后，不论是细胞壁滞留还是液泡或木质部的滞留，它们固定或阻碍镉转移的能力都不是无限的，并且在固定了镉的同时也会对细胞或根系自身造成一定的不利影响，如阻碍了细胞延伸和根系伸长等。因此，如果能够找出方法解决这些问题，充分挖掘作物自身镉滞留潜能，增强其根系的镉滞留能力和植株耐镉能力，使得作物在镉等重金属的胁迫下仍然能够实现高产稳产、安全优质的生产目标，那将大大有利于保障中国的粮食安全，维护中国粮食贸易的正常运行。

致谢：文章得到湖南农业大学农学院周仲华教授的指导，在此表示感谢。

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（责任编辑 李莉）

Immobilization Effect and Its Physiology and Biochemical Mechanism of the Cadmium in Crop Roots

WANG Xue-hua, DAI Li

(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128)

A certain degree of cadmium stress has seriously influenced crop growth, development, yield and quality of farm produce. In this review, the authors comprehensively summarized the damages of Cd to crops and a human being, and the characteristics of the Cd absorption, transport and accumulation as well as their dependent main regulatory genes and their functions. The resistant and tolerant mechanisms of crops to the Cd toxicity were simply summarized, while the physiology and biochemical mechanism of the root cadmium immobilization effect which was one of them were emphatically introduced. The Cd got into the plant via the root absorption mostly, and in the root, the Cd2+entered the “free space” firstly, which is constituted by the cell space, the cell wall micropore and the space between cell wall and plasma membrane, afterwards, passed through the plasma membrane into the cytoplasm by the way of active or passive absorption, and then were transported into the xylem vessel through symplast or apoplast pathway. Rice and others crops mainly use the following ways to adapt the Cd stress: the retention effect of cell wall, the chelation effect in symplast, the compartmentation effect of vacuole, the accumulation of stress protein and proline, the enhancement of antioxidase system activity and the immobilization effect of the root. As an important way to resist and tolerate the cadmium toxicity, the immobilization effect of cadmium in crop root plays a crucial role in regulating the Cd absorption, transport, distribution and accumulation in crop, preventing Cd entering into bioplasts and shoots of plant, and reducing the harm of Cd to the growth and development of the crop and the yield and quality of the farm produce. It mainly contains the retention caused by the low root-to-shoot Cd transport volume, the cell wall and the vacuolar. (i) The retention caused by the low root-to-shoot Cd transport volume. This retention effect is mostly influenced by the xylem Cd loading capacity of the root and the content of the cadmium long distance transport carrier – phytochelatins (PCs); and they were controlled by the ion transporter HMA2 and HMA4 on plasma membrane and the PCs synthetase in cell and their relevant regulatory genes, such as,andAnd they have a negative regulation to the Cd retention in the xylem. (ii) The cell wall immobilization effect. This effect happens in the apoplast (including the cell wall and intercellular layer) of the root cell, and is mainly related to the component and structure of the apoplast, and in which the pectin has played a key role, moreover, the hemicellulose also has some effect in it. On the basis of the different action way in the pectin and hemicellulose Cd retention, the cell wall immobilization effect can be divided into physical immobilization (PIB) and chemical immobilization (CIB). The PIB is mostly related to the pectin content and the pectin methyl esterase (PME) activity. While, the CIB is the result of electrostatic binding effect between the Cd2+and carboxyl group or other groups with negative charge on the pectin, hemicellulose and other components of the cell wall. And they were controlled by the genes likeand. (iii) The vacuole immobilization effect. This effect is closely related to the PCs in the cytoplasm and the vacuole, as well as the transport protein on the tonoplast; and its retention ability to Cd is restricted by the vacuolar sequestration capacity (VSC). In the vacuole Cd immobilization, the PCs with different molecular weight play an important part, they participated in the chelation of Cd in the cytoplasm, the Cd transformation between cytoplasm and vacuole, and the Cd sedimentation in the vacuole finally. At the same time, the transport proteins on the tonoplast are in charge of transferring the low molecular weigh PC-Cd compound from cytoplasm solution into the vacuole through active transport, making the Cd insulated. In crop roots, the successively combined action of the three immobilization effects has reduced the cadmium transfer amount from the root to shoot, then eased the pernicious effects of the Cd to the shoot, and decreased the content in the crop harvesting organs like grain. However, due to the finiteness of the percentage of PC-Cd in the general Cd number, the total charge number of the cell wall and the VSC of vacuole, making the intensity and effectiveness of the root-Cd-retention effects are limited to a certain degree.

root; cadmium; immobilozation effect; phytochelatins; cell wall

2016-07-25；接受日期：2016-08-26

国家“十二五”科技支撑计划（2013BAD07B11）

王学华，Tel：13873160151；E-mail：13873160151@163.com