用生物分子方法了解植物的金属耐受性和超积累

原文作者：Massimiliano Corso；Vanesa S. Garciacute;a de la Torre

微量金属元素对植物生长是必不可少的，但在高浓度时具有毒性，而一些非必须金属元素，如镉、砷，即使在微量时也具有毒性。因此，植物体内的金属稳态受到严格调控。在富含金属的土壤中生长的植物物种已经进化出了对金属耐受的机制，而且在极少数情况下，它们可以在其地上部中过量地积累金属。金属高耐受性和超积累的分子机制可能来源于一般的金属稳态所涉及的基本机制的改变。在金属高耐受性和超积累的物种中参与金属转运、金属螯合剂合成和氧化应激反应的基因组成型地高度表达。植物特化的代谢物和细胞壁被认为是这些机制的主要参与者。此外，金属高耐受性和超积累的高特异性自然变异表明，这些性状的进化可能涉及多种分子机制。迄今为止，野生植物群体作为研究金属耐受性和超级累的系统的潜力尚未得到充分开发。下一代测序技术的出现使非模式物种的研究成为可能，为研究自然种群和新的耐受性和/或超积累物种提供了机会，并将为金属耐受性和超积累提供新的见解。本文综述了植物金属耐受性和超级累的背景知识，以及目前研究和鉴定植物金属高耐受性和超级累机制的最新技术。我们还为读者概述了该研究领域的多学科的重要性，以及如何整合多组学方法将有益于面对未来的科学挑战。

对金属组学的意义

全球对金属的需求以及采取行动实现可持续发展的必要性已导致金属耐受性和/或高积累植物被设想为从污染土壤中对金属进行生物修复和植物提取金属以及增强的微量营养素生物利用度的生物强化作物的机会。本文综述了近年来有关植物高耐性和超级累的研究进展，重点介绍了其所涉及的的分子机制及其研究和鉴定的最新技术。我们强调了开发野生种群的潜力，这些野生种群进化出对比鲜明的金属耐受性和积累特性，并整合了不同的“组学”技术，以促进未来在这一研究主题上的发现。我们希望激发关于如何整合系统生物学方法的讨论。

1引言

微量金属元素（TMEs），也被称为“重金属”¹，普遍存在于环境中，浓度较低。工业化、采矿、农业、交通等人为活动已导致世界范围内土壤污染问题日益严重，威胁着自然环境和人类健康²。植物作为固着生物，依赖于根吸收土壤中物质和养分。某些重金属（例如锌、镍、铁、铜、锰和钴）是植物许多生理过程所必须的的微量元素，但在高浓度时具有毒性^3、4，而其他一些非必需元素（如银、镉和铅）即使在痕量水平时也具有毒性^5、6。植物重金属毒性会导致植物营养不平衡、生长减缓、光合作用、呼吸/蒸腾作用等生理过程的改变，最终导致植物死亡。为了在不同细胞区室保持适当的金属浓度并应对其毒性，所有植物物种都进化出了根据自身需要严格调节必需金属稳态的机制^8、9。

多数种植在富含金属的土壤中的植物采用了排斥策略，但有少数物种，即所谓的“超级累植物”，在它们的茎中积累了大量的金属^10、11。目前的知识表明，金属耐受性和超级累的分子机制来源于一般金属离子稳态的广泛改变，这可以从金属超级累者中所涉及一般金属稳态的几个组成型基因的高表达得到证实^12-14。这些基因主要参与金属的转运、金属螯合剂的合成和氧化应激反应。此外，由于高通量测序技术的最新发展，多种方法已被用于鉴定支撑金属耐受性和超级累的关键基因。植物金属耐受性和超级累都是高度变异的性状，即使在种内水平上也是如此，这表明这些性状的进化可能涉及不同的分子机制。因此，这些植物为研究金属耐受性和超级累，解答植物金属耐受机制的基本问题，包括金属的吸收、运输和螯合，以及植物对极端环境的进化和适应提供了一个特殊的模型¹¹。

这篇综述的目的是强调当前关于植物金属耐受性和超积累的分子机制及群体基因组学、转录组学和代谢组学研究现状的知识。最后，我们通过整合和结合不同方法和/或学科来讨论金属超耐受和超级累研究的可能发展方向。

2金属耐受和超级累

生长在含金属土壤中的植物已经进化除特定的生理机制来适应和响应极端的环境。当植物种植在含金属的自然环境中时将采用三种基本策略：排斥，超级累和指示¹⁰。这些策略的定义是基于植物气生组织重金属浓度和土壤重金属浓度间的比较。大多数植物物种采用排斥的策略，以防止重金属积累对活跃地上茎组织光合作用的损害¹¹。排斥金属元素的植物在茎中的金属含量相对较低，但它们根中可能含有高的重金属浓度¹⁰。相比之下，金属超级累者能够在地上茎的组织中积累远远超过土壤中金属含量的大量的金属元素。最后，金属指示剂物种在茎中金属积累水平，反映了土壤中的金属含量^16、17。

金属耐受性和超级累是通过改变一般稳态网络的典型步骤来实行的¹⁷，在生理水平上是：（1）金属在根中的摄入和吸收，（2）金属在根中的存储或向维管组织的径向运输，（3）金属从根到茎的转移和（4）金属解毒和/或在茎液泡中存储。排除策略可以通过减少根对金属的吸收、增加根对金属的流出以及增加金属在细胞壁和/或根液泡中的储存来实现，而金属的超积累需要增强根对金属的吸收和转运、改善金属从根到茎的转移以及有效的金属分布和茎中的液泡储存¹⁵。

不同科植物的金属耐受性和超级累物种主要针对镍、锌、镉、锰、砷、硒、铜、钴和铊^16、18。例如，在非洲中部富含铜/钴的土壤中发现了几种被称为“耐铜/钴排斥物种”的植物科¹⁹。已经有几个锰超级累物种（超过20个属）被鉴定了，主要在Myrtaceae和Proteaceae中^16、20、21。研究锌、镉和镍耐受性和超级累物种多为有Alyssum，Senecio，Sedum，Noccaea 和Arabidopsis等属植物。A. serpyllifolium和S. coronatus的镍超级累物种都能在超碱质/蛇纹石土壤和非蛇纹石土壤上生长。然而，A. serpyllifolium属的非镍积累的植物仅仅只生长在非蛇纹石土壤，S. coronatus属非镍超积累植物种类只在超碱质的土壤中能找到^22、23。在蛇纹石上生长的N. caerulescens种群中也观察到镍的超级累性²⁴。S. alfredii和S. piumbizincicola除外^25-27，十字花科的几个属中，锌和镉的耐受性和超积累性表现得尤为突出。在A. halleri和N. caerulescens中锌的超级累性和锌、镉的高耐受性这两个性状都是组成型的，但这两个性状在种内差异较大，锌、镉的超级累性尤为显著^11，28-31。这种对金属耐受和超级累性在种内显著的差异可能与不同的土壤来源和/或不同的系统地理学模式有关^31-33。在这种情况下，保守的的稳态假说认为这是近缘植物之间为了适应不同的土壤成分，例如在有金属元素和无金属元素的地方，植物的金属稳态的生理变化将会运行，以维持细胞内金属海量与原产地土壤含量在相同的水平³⁴。这表明多种分子机制可能参与了这些复杂性状的进化。因此，对野生物种金属耐受性和积累的种内自然变化的分析因此，已成为解答植物对金属的吸收、运输和封存等基本机制以及对极端环境的进化和适应等问题的重要工具^34、35。

3植物的超积累性：进化的显著产物

来自52个科130个属中¹⁶约有750种植物被发现具有金属超积累性，而且这在金属超积累植物多样性中，以十字花科最为突出，迄今为止共发现83种金属超积累植物，主要属为Arabidopsis和Noccaea¹¹。这种广泛的系统分布表明，金属耐受性和超级累性状在进化过程中独立出现过多次¹¹。大多数金属超级累物种是镍超积累物种，存在于天然富含镍、铬和钴的蛇纹石或超镁铁质土壤中³⁶，但其他被植物超积累的元素被不同的国家被发现，包括锌、铜、硒和锰¹⁸。根据积累的金属，已提出了一个不同浓度标准来定义金属超积累植物，其叶干重比重中高于100微克每克镉、300微克每克的钴或铜、1000微克每克的镍或铅、3000微克每克的锌、10000微克每克的锰能用于其在生长环境中正常生长的植物被称为金属超积累植物¹⁶。

金属超积累是否具有适应性优势问题仍然存在争议。最初人们认为金属超积累只是金属富集土壤中植物耐受性生理机制的一部分¹⁰。然而，并不是所有耐受性的植物都表现出金属超积累现象，并且所有的金属超积累植物都生长在富含金属的土壤中^16、31。

人们提出了几种解释植物金属超积累性状演化的假说。它们是(1)无意中吸收非必需元素，(2)从植物体内清除，(3)抗水分胁迫，(4)干扰其他植物，以及(5)元素防御^14、37、38。偶然吸收假说表明，金属超积累植物的特征是对几种金属的非选择性吸收，包括非必需元素。排除假说认为，金属从土壤中被吸附，然后被运输和扩散到不同的植物组织中，而抗旱假说将超积累机制与植物对严重水分胁迫条件的抗性提高联系起来。干扰假说(或“元素化感假说”)表明，在金属污染土壤中生长的能力降低了与其他植物物种的竞争。最受科学界关注的“元素防御假说”提出，植物中金属的超积累可以作为对草食动物和/或病原体的防御^38-43。金属在植物体内超积累可能具有多种生理功能，但我们对其生物学基础的全面认识还远远不够。

尽管人们普遍认为，涉及一般金属稳态的几个基因是组成型且高度表达的^12-14，但迄今为止，这些候选基因中几乎没有一种通过逆向遗传学在金属超蓄积物种中得到功能验证（例如HMA4⁴⁴）。

金属超积累似乎是一种相关性极小的表型异常。尽管如此，金属超积累代表了金属稳态网络的重要特征，并且从科学的角度研究这一复杂特征具有重要意义，所获得的知识可用于发展植物修复和植物开采技术。在这种情况下，金属超积累物种不仅能作为农作物以清除金属污染的土壤，而且还能从含金属的土壤中提取和回收金属[45-49]。为了这个目的，已经使用了本土的Alyssum murale从阿尔巴尼亚的超镁铁质土壤中提取镍⁵⁰。在这项工作中，作者证明了当与施肥相结合时，A.murale野生群体在大范围的采金潜能。

在可持续发展的背景下，越来越有必要深入了解金属超积累背后的潜在机制。积累的知识可有助于标记辅助选择品种、对农业做法进行分子监测和制定可持续战略，以限制金属对环境的负面影响。

了解超积累物种的分子机制，为开发提高微量元素生物利用度的生物强化作物奠定了基础。必需微量营养素缺乏（主要是铁和锌）确实是植物和人类必须面对的一个关键问题⁵¹。如今，无论是在粮食需求不断增长的国家，还是在人口受到金属微量营养素缺乏影响的经济较为发达的国家，作物生物强化都引起了人们的特别关注。在此背景下，有必要研究金属超积累中用来调节营养稳态的机制，并确定金属超积累中增强的新基因和途径。例如，NRAMP3和NRAMP4转运体参与了植物中Fe、Mn、Cd和Zn的积累和再动员，并且与植物相比，它们在金属超积累植物中的表达量更高^53、54。另一种方法可能涉及金属螯合剂的研究，如烟酰胺，这是在金属超累积物中大量合成的，可用于提高植物中微量营养素的积累和可利用性⁵¹。除了超积累物种，金属排除物种的知识还可用于改善食品质量和安全性⁵⁵。这可以用于开发具有减少有毒物质和非必需金属元素（如镉）积累的作物⁵⁵。

4金属耐受性和超积累的分子机制

在过去的15年里，关于金属过度耐受性和过度积累的遗传和分子机制的大部分知识都是通过十字花科科物种的研究而获得的，例如A.halleri和N.caerulescens，以及亲缘关系相近的非耐受性的A.thaliana。利用途径和资源来开发A.thaliana以及A.halleri（94%）⁵⁶和N.caerulescens（88%）¹²的高度保守序列，使这两个物种成为解析植物高耐性和超积累基础分子的基本途径^11、13、30。因此，我们目前对金属耐受性和超积累的分子认识不仅受到分类学多样性的限制，而且主要局限于Zn、Cd和Ni。我们期望这一知识能的实质性发展，能像新事物一样随着生理、分子和遗传学研究变得可及。

植物的金属高耐性和超积累是由编码控制金属从土壤-根吸收、根-茎转运和重金属液泡螯合蛋白的基因的高组成性表达驱动的(表1)。在过去的15-20年里，数量遗传学(例如数量性状基因座——QTL)和转录组学方法的研究，鉴定出了广泛的候选基因，这些基因可能在几种植物的金属超积累和超耐受性中起作用。尤其是，全转录组学（微阵列和转录组测序技术）是一种强有力的技术，可用于Arabidopsis、Noccaea和Sedum这些具有金属高耐受和超积累性状高变异水平特征的物种的基因表达谱^{12、44、57-65}。

转录组学研究表明，候选

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