玉米对镉的转运、积累机制及其生理响应

沈天尔 施 洁 胡盈盈 顾家家 郭燕萍 廖芳蕾 陈文荣

(浙江师范大学化学与生命科学学院，金华 321001)

重金属元素镉(Cd)并非植物必需微量元素，但其能在植物体内积累，并对植物生长发育造成负面影响。如外源Cd胁迫将导致玉米生物量减少、产量降低、形态结构和生理生化属性的改变等[1]，玉米可启动相关响应机制以阻滞重金属元素Cd的运输。关于Cd在植物中的转运、积累和调控机制已经成为植物生理学领域的研究热点[2]。本文重点从共质体和质外体途径、长距离与短距离运输的空间角度，介绍Cd在玉米各部的移动途径及移动过程中的积累机制，并对玉米部分镉相关转运蛋白进行了预测。同时，对Cd作用于玉米生理活动的影响及机理进行归纳，简明概述了玉米生产中的Cd污染缓解技术，以期为将来的研究和生产提供新的思路与方法。

1 玉米对镉转运与积累的相关机理

耕地Cd的污染是玉米镉积累的直接来源，故Cd运输的总体方向为从形态学下端到形态学上端，Cd元素积累特点则表现为：根>茎叶>籽粒[3]。植物长距离运输主要依赖于维管束，而Cd从根表皮到中柱之前的运输过程则是植物的短距离运输。

1.1 镉的短距离运输

根是植物贮存和固定Cd的重要器官，玉米根系对Cd具有高积累的特点[3]。物质在植物体内的短距离运输包括质外体途径和共质体途径。离子和水分可以经阻力较小的质外体途径实现根部的径向运输，但当质外体途径受到凯氏带阻碍时，Cd2+可以跨膜进入细胞，转而进行共质体途径的运输[4]。王晓娟等[4]发现Cd可通过质外体和共质体两种途径进入玉米幼苗根木质部。

1.1.1 通过质外体途径的镉运输与积累

质外体途径对Cd2+的运输阻力较小，带正电荷的Cd2+移动时将在一定程度上受到细胞壁阴离子的吸附[5]。同时，在Cd刺激下玉米根细胞壁组分将发生改变。代谢组学研究显示，Cd刺激显著提高了玉米根部细胞壁中碱溶性多糖组分，并改变多糖组分与纤维素、木质素的比例以及酚类物质含量[6]。Vatehová等[6]认为这种细胞壁组分的变化是玉米应对镉胁迫的一种防御机制。进一步的研究表明，Cd处理将诱导产生大量细胞壁多糖并参与凯氏带的形成[7]，因此Cd诱导的玉米根细胞木质化可能为Cd防御系统的内在机理之一。

Cd在经质外体途径进入玉米中柱的过程中，Cd的刺激将导致玉米根细胞向外分泌富含半胱氨酸残基的植物螯合素，使根系中的Cd主要积累于质外体中[8]。早期研究发现，用不同浓度Cd(1、10 μmol/L)对玉米幼苗进行短期处理后，积累于根细胞质外体的Cd含量高于原生质体[9]。通过根细胞的Cd分馏技术，Nocito等[10]对水稻(OryzasativaL.)的实验严格地证明了Cd胁迫将促进水稻根部植物螯合素的生物合成，而这些含巯基的化合物通过螯合作用显著地提高了Cd在根部的积累。经植物螯合素螯合后，玉米根部的Cd元素与植物螯合素或者其他相关巯基化合物形成分子量不等的复合物[11]，其中，高分子量复合物和低分子量复合物中Cd元素的含量及其在二者中所占的比例与外源Cd浓度[10]及作物种类关系密切[11]，但鉴于低分子量向高分子量复合物的转化主要发生在液泡中，且高分子量复合物的形成对Cd2+螯合具有更高的贡献率[12]，因此高分子量复合物在Cd的液泡区隔化作用中发挥更为主要的作用。

1.1.2 通过共质体途径的镉运输与积累

由于玉米根中凯氏带的存在，Cd短距离运输仍需经历共质体途径进入胞内。对单个细胞而言，转运蛋白和通道蛋白的运输是Cd2+跨膜进入共质体的主要方式；而在共质体中移动时，Cd的主要存在形态有离子以及含Cd配合物。植物细胞分泌的植物螯合素除了在质外体途径中阻遏Cd移动，在共质体中也有类似作用。液泡是植物区隔化Cd的最重要区域，这也是植物对Cd胁迫耐受机制的一部分[13]。对于Cd2+在植物细胞质基质和液泡中的螯合机理及Cd-植物螯合素的存在形态，Verbruggen等[14]已进行了详细描述。然而，不论Cd以何种形态经共质体途径运输，都离不开转运蛋白或通道蛋白的参与。

与Cd2+跨膜运输相关的通道主要包括Ca2+通道和K+通道。Kurtyka等[15]的Ca2+通道阻断实验显示，Cd2+可通过定位在玉米细胞膜上的Ca2+通道进入原生质体。研究表明，外源Cd刺激诱发的膜电位超极化将提高Ca2+通道对Cd的渗透性[15]。近期，对水稻的研究也显示，Ca2+通道AAN4、GLR3.4对Cd流入和吸收具有重要作用，且Ca2+对Cd进入细胞可能产生竞争性抑制作用[16]。K+是植物的必需大量元素且在植物逆境生理中扮演重要角色，因此K+通道对Cd的渗透性问题值得关注，但目前鲜有研究在植物中严格证实K+通道或转运子对Cd具有转运能力[16]。

Cd的跨膜运输还可依靠转运蛋白对其的转运。天然抗性相关巨噬细胞蛋白(NRAMP)、锌/铁转运蛋白(ZIP)等转运蛋白能够转运以离子形态存在的重金属Cd，而ATP结合盒转运蛋白(ABC)和黄色条纹转运蛋白(YSL)除了具有Cd2+转运能力，部分成员还能转运含Cd复合物[2]。

目前，在玉米中已克隆出9个ZmZIP家族基因，该家族蛋白的一级结构包含359～490个氨基酸残基，6～9个跨膜结构域，在跨膜域3、4之间存在1个可变域，且所有的ZmZIP均定位于质膜及内质网上[17]。然而，目前对ZmZIP家族蛋白的研究仅限于对Fe2+、Zn2+的转运功能，而对Cd2+运输作用的研究目前鲜有报道。在植物中，对Cd转运具有专一性的转运子也尚未被发现。

NRAMP是另一个重要的转运蛋白家族，它广泛存在于酵母、植物、哺乳类动物中[18]。Sharma等[19]通过对玉米基因组的SSR和SNP分析，鉴定出16个来自玉米的NRAMP家族候选基因；近期也有研究通过QTL分析，鉴定得到2个ZmNRAMP家族的候选基因[20]。目前，已经在水稻、高粱、拟南芥等植物中发现了NRAMP家族蛋白对Cd2+的转运作用[21]，但对于玉米ZmNRAMP转运子的研究仍处于起步阶段，鲜有对ZmNRAMP家族基因进行克隆的相关报道。

ABC是目前发现存在于几乎所有生命体中的成员最多的蛋白超级家族之一。Pang等[22]将玉米130个ABC蛋白进行了归纳，并对其分类、基本结构、典型功能等进行了概括性描述，其中，具有转运功能的ABC蛋白可分为5个亚家族，而ZmABCC亚家族、ZmABCG亚家族则可能对Cd具有转运能力，然而，目前玉米各ABC亚家族蛋白对Cd的转运功能尚未被验证。表1是基于已有研究对ZmZIP、ZmNRANP和ZmABC基因家族的系统进化分析，对部分Cd2+相关转运子功能进行的功能预测。

玉米中的另一个转运蛋白ZmYS1也具对Cd配合物的转运作用。ZmYS1最早被认为是铁离子-植物铁载体的转运体[29]，Schaaf对玉米YS1蛋白的研究表明，ZmYS1转运子可以将与铁离子-植物铁载体运入细胞，同时该研究还发现植物铁载体的类似物烟草胺与重金属的螯合产物能被ZmYS1编码的质子耦合转运子双向转运[30]；此外，Ueno等[31]也对ZmYS1转运Fe等金属元素的生物学功能进行了验证。

1.2 镉的长距离运输

虽然Cd在玉米根系中的短距离运输受到一定阻滞，但仍会有重金属Cd流入维管束并进行长距离运输[10]，这一过程主要依靠维管束中的木质部和韧皮部。

玉米对Cd积累的调控，也表现在木质部的运输上。区别于Cu、Zn等必需微量元素，有毒金属Cd在玉米木质部中的运输不完全由蒸腾拉力所引起的水流决定，因而表现出Cd向芽的分配减少，Nguyen等[32]认为产生这种现象的原因是部分Cd被重新分配而向下运输。极低浓度Cd(0.8、20 nmol/L)就能启动玉米长距离运输中对重金属元素Cd的排除机制[32]。Yamaguchi等[33]发现，在水稻等单子叶植物的维管束丛中，木质部和韧皮部存在明显的物质交换，这种从木质部到韧皮部的物质交换可能是在长距离运输过程中将Cd重新分配到根部的重要机制。

因为籽粒中的Cd积累绝大部分来自于韧皮部[34]，故韧皮部运输在金属离子向籽粒移动的过程中起主导作用，而由于生殖器官有限的蒸腾作用，木质部运输则起次要作用。有报道显示，韧皮部中存在谷胱甘肽、植物螯合素、烟草胺[35]等典型重金属离子螯合剂，它们在Cd的韧皮部运输中发挥Cd载体的作用。近期，Shimo等[36]在新发现的Cd低积累水稻品系中定位了位于韧皮部伴胞上的LCD蛋白，该蛋白可能与Cd的韧皮部运输有关。同时，水稻籽粒中的Cd积累与韧皮部汁液中的Cd浓度密切相关[37]，Yan等[38]发现，韧皮部的Cd装载与卸载是水稻籽粒Cd积累的主要途径。然而，关于韧皮部Cd装载和卸载的机理仍不清楚，且对于Cd在玉米韧皮部中运输的相关研究鲜有报道。作为作物籽粒Cd积累的主要途径，韧皮部运输直接影响着镉污染背景下粮食的安全生产，相关研究亟待跟进。

2 镉胁迫下玉米的生理响应

在Cd污染的生境中，对Cd的吸收和转运积累将诱发玉米叶片黄化、植株地上和地下的生物量生长受阻等一系列生理响应；基于近年来的相关研究，Cd胁迫对玉米形态的影响主要源于Cd对内源性植物激素水平的干扰、光合作用的影响以及水分与养分吸收的抑制等方面。

相较其他粮食作物，玉米在Cd胁迫下的生理响应具有一定特殊性。与水稻相比，玉米虽然对外源Cd积累水平较低，但对Cd胁迫的敏感程度更高。水稻的Cd致死浓度高于500 μmol/L[39]，而玉米在200～250 μmol/L的外源Cd处理下即出现致死效应[40,41]。大麦(HordeumvulgareL.)虽然在Cd胁迫的致死浓度上与玉米接近，但在80、250 μmol/L外源Cd处理下玉米叶片光合蛋白含量显著降低，而大麦则仅略有降低，这可能是由于玉米是C4植物而具有区别于C3植物的碳同化机制[41]；而从Cd胁迫对植物体抗氧化生理影响的角度，小麦(TriticumaestivumL.)对Cd胁迫的生理响应较玉米更为剧烈。因此，水稻、玉米和小麦3种主要粮食作物对重金属Cd胁迫的生理敏感程度总体呈现出小麦>玉米>水稻的趋势。

2.1 对内源植物激素的影响

外源Cd对玉米激素分泌水平产生影响，普遍表现为低浓度时促进，而高浓度时抑制。在Cd处理与生长素分泌相关性方面，Yue等[42]的研究发现，在Cd胁迫下，玉米的Cd应答基因与生长素合成、转运以及下游响应基因的转录丰度及表达部位具有一致性。随着Cd浓度的提高(25～50 μmol/L)，游离态生长素的含量呈现降低趋势，生长素氧化酶活性不断上调。对玉米生长素响应正调控因子GH3(Gretchen Hagen3)基因家族的研究显示，高浓度Cd胁迫(50 μmol/L)能抑制该家族大部分基因在玉米根中的表达，同时也显著降低了根中生长素的含量[43]。Aux/IAA(Auxin/indoleacetic acid)蛋白对其他生长素响应基因的转录具有抑制作用[44]，Cd胁迫(100 μmol/L)能稳定Aux/IAA家族蛋白IAA17，从而抑制生长素相关响应基因的表达，最终植物因生长素含量降低表现出主根伸长受抑制[45]。重金属盐胁迫对SAUR(Small auxin up RNA)调控生长素信号通路的相关研究鲜有报道，目前的研究仅已知SAUR与非生物胁迫具有一定相关性[46]，其表达蛋白能与部分重金属离子结合，但与Cd2+结合能力较弱[47]。然而，在低浓度Cd(5 μmol/L)处理下，玉米根系和叶片中生长素含量也会呈上调趋势[48]。

低浓度Cd(5 μmol/L)胁迫显著上调了玉米根系中的脱落酸含量以及叶片和根系中的乙烯含量[48]。关于镉胁迫下植物对体内细胞分裂素及赤霉素调控及生理响应的相关研究主要集中于拟南芥、水稻等模式植物。

2.2 对光合作用的影响

Cd胁迫对玉米净光合速率的影响表现为低浓度(1、5 μmol/L)时促进以及高浓度(15、50、100 μmol/L)时抑制，同时，不论何种水平的镉(1～100 μmol/L)处理均会提高玉米的光补偿点，但仅有低浓度Cd(1 μmol/L)处理能提高玉米光饱和点[49]。玉米叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶对于CO2具有极高的亲和力，胞间CO2浓度一般不会成为光合作用的限制因素，因此Cd胁迫诱发的光系统破坏和膜系统损伤等非气孔因素更可能是重金属Cd对玉米光合作用影响的主要机理。

水培实验结果显示，不同浓度(5、50 μmol/L)Cd处理均会减少玉米的总叶绿素含量，且对于叶绿素a的负面影响大于叶绿素b[50]；同时，Cd处理显著削弱玉米光系统Ⅱ反应中心俘获激发光的量子效率，最终导致光系统II的激发受到抑制[51]；此外，Lysenko等[41]的研究表明，浓度为80、250 μmol/L的Cd处理不会影响玉米叶绿体中细胞色素b6f复合体、ATP合成酶等光合作用相关蛋白的mRNA水平，但其中叶绿素结合蛋白Lhcb1的含量显著降低，再次证实Cd胁迫主要通过抑制光系统II的能量传递进而抑制光合作用[50]。

对叶绿体内部结构的破坏是Cd胁迫对玉米光合作用影响另一机理。经电镜分析，Jiang等[52]发现低浓度Cd(6.5 μmol/L)处理即对玉米幼苗叶肉细胞叶绿体基粒及膜系统有明显破坏作用。同时，Cd处理浓度的提高(5～50 μmol/L)将造成维管束鞘细胞叶绿体内部类囊体排列紊乱、淀粉粒数量增加和直径增大，从而抑制维管束鞘细胞叶绿体的光合作用[53]。

综上所述，镉胁迫(100 μmol/L)诱导的气孔异常可能会导致玉米光合速率及气孔导度的下降[54]，但Cd诱发的非气孔因素突变对玉米光合作用的影响应大于气孔因素。

2.3 对水分生理的影响

蒸腾作用是影响植物水分吸收的最重要因素。在Cd胁迫下，低浓度Cd(1、5 mg/kg)处理后，玉米蒸腾速率上升，而高浓度Cd(15、50、100 mg/kg)将抑制其蒸腾作用[49]。高浓度Cd(100 μmol/L)处理后，玉米叶片气孔导度及蒸腾速率均有不同程度的降低，Anjum等[54]认为这种现象产生的原因可能是Cd胁迫诱导的气孔异常，最终导致玉米调节和保持水分的能力下降。此外，Cd处理水平的提高(0～75 μmol/L)将降低叶片相对含水量，Hussain等[55]认为产生这种现象是由Cd通过破坏植物水分关系，进而诱导玉米出现生理干旱所致。因此，Cd胁迫引起的玉米水分生理响应似乎是气孔异常和渗透平衡紊乱共同作用的结果。

植物根压过大会引起植物吐水。徐稳定[56]发现在高浓度Cd(≥20 μmol/L)胁迫下玉米吐水中出现Cd2+，且随着处理浓度的升高，吐水中的Cd2+浓度也随之升高。玉米的这种吐水现象可能是其应对Cd胁迫的解毒机制。植物根系主动吸水涉及矿物元素的转运，Cd胁迫下玉米主动吸水的生理响应及其机理或是该领域新的研究思路。

2.4 对营养元素吸收的影响

玉米对不同营养元素的吸收及转运特点决定了Cd胁迫能不同程度地影响养分的吸收及运输，但也有部分营养元素不受Cd处理的影响。Yang等[57]在0～54 μmol/L范围内对玉米进行外源Cd处理，结果表明，随外源Cd浓度的提升必需微量元素Fe、Mn、Cu、Zn以及必需大量元素Ca、Mg进入根内的流入量及长距离运输量均呈降低趋势，然而，P元素则呈现上升趋势，S元素基本保持不变。类似的研究也证实了Cd2+与二价离子Ca2+、Zn2+、Fe2+吸收及转运的拮抗作用[58]。基于Ca2+通道对Cd的通透性，Tanwir等[58]认为Cd胁迫(≥10 μmol/L)下Ca2+吸收和转运能力下降可能是由于Cd2+对Ca2+的吸收和转运造成竞争性抑制。关于外源Cd对Fe吸收的拮抗作用，Meda等[59]证明了其拮抗机理：Cd通过抑制ZmYS1介导的铁芒果酸转运实现对Fe吸收的拮抗作用。而关于Cd胁迫对于Zn吸收和转运的抑制作用，其原因是玉米根细胞质基质中的Cd积累导致Cd2+与Zn2+离子共同竞争ZmZIP转运子[60]。此外，外源Cd对玉米养分的吸收的影响与玉米品种对Cd的耐受性也有一定关系，低浓度Cd(≤20 μmol/L)处理时，耐性品种对于K的吸收及积累量提高，而敏感品种却呈现降低趋势[58,61]，这种现象可能暗示着玉米中存在一种新的Cd耐受机制[61]。K可能参与玉米对Cd胁迫的生理响应过程并发挥重要作用。

3 展望

在土壤受到不同程度镉污染的背景下，为降低农业生产中Cd对农产品安全性的影响，目前采用较多的手段是土壤原位修复，包括钝化修复技术和农艺措施两大类。钝化剂对土壤进行修复的原理是与重金属离子发生的吸附、络合、氧化还原及共沉淀等效应，从而降低重金属离子的生物有效性和迁移性。降低玉米Cd积累的重要农艺措施包括化肥类型的合理调整、菌肥及叶面微肥的应用等。此外，玉米Cd低积累品种的筛选也是一种解决玉米生产中Cd安全威胁的重要技术，相关研究也已有许多报道[62]。然而，仍有许多问题值得进一步的探究和解答。

Cd胁迫对玉米主动吸水及吐水现象影响规律的研究。主动吸水虽然对植物水分吸收的贡献度不高，但其产生的根压能介导Cd经吐水从玉米体内排出的反应[56]。该发现或能为玉米体内Cd积累的排除提供新的思路。

玉米K+通道对镉运输作用的研究。K元素可能参与玉米对镉胁迫的生理响应[61]，且K+通道可能对Cd2+具有渗透性[16,63]，但玉米K+通道在Cd运输中所发挥的作用仍不清楚，故在实验方法改进的基础上对玉米K+通道进行Cd渗透性验证亟待开展。

玉米液泡对Cd-PCs的区隔化研究。定位在液泡膜上的各类转运蛋白参与Cd2+或Cd配合物的区隔化[64]，但目前缺乏对玉米液泡膜蛋白的研究。ZmABCC6可能具有转运Cd-PC配合物的功能，但尚未得到验证，可以将ZmABCC6的克隆及其蛋白的功能研究作为研究的近期目标[22]。

玉米种质资源的筛选。当前研究主要关注玉米籽粒中Cd的积累，而对玉米秸秆部分Cd的积累关注度不高。同时，对于玉米Cd低积累品种的筛选缺乏针对性，常忽视品种本身性状以及对环境的适应性，影响筛选的实际意义。因此，对于玉米地方品种进行Cd积累程度的调查以及对玉米本身品质的考量应在将来玉米低Cd积累种质的研究中得到重视。