植物耐鋁機制研究進展

李晶 謝成建 +玉永雄 楊星勇

摘要：在酸性土壤中，植物會受到鋁的毒害，從而嚴重影響植物的生長發育；而一些物種能耐受鋁的毒害，使其在酸性土壤中正常生長。大量研究表明，植物生理水平的耐鋁機制包括外部排斥機制和內部耐受機制2個方面：外部機制主要包括細胞分泌有機酸對Al3+螯合、提高根際周圍pH值、降低根尖細胞壁的果膠含量等；內部機制主要是產生的有機酸與進入細胞內的Al3+螯合和細胞內部將Al3+區隔化，同時抗氧化代謝過程和激素信號轉導過程也發揮著重要的作用。在分子水平上主要發現了與有機酸分泌相關的基因以及與內部忍受機制相關的耐鋁基因，調控相關耐鋁基因的轉錄因子也相繼被報道。本文對植物所涉及的各種耐鋁機制進行了綜述，以期為培育耐鋁植物提供理論基礎。

關鍵詞：鋁毒；外部排斥機制；內部忍耐機制；耐鋁基因

中圖分類號：Q945.78文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2016）09-0016-06[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2015-09-22

基金項目：國家重點基礎研究發展規劃 （編號：2014CB138701）。

作者簡介：李晶（1991—），女，陜西漢中人，碩士研究生，主要從事苜蓿逆境生理研究。 E-mail：809529670@qq.com。

通信作者：謝成建，博士，副教授，主要從事植物與微生物互作方面的研究。E-mail：xcj614@163.com。

鋁是地殼中分布最廣、含量最豐富的金屬元素，通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁的形式存在，溶解度很低，一般對植物沒有毒害作用。然而，當土壤環境變為酸性時（pH值<5.5），存在于硅酸鹽或氧化鋁中的鋁（Al3+）便以離子形式存在于酸性土壤中，使植物受到鋁的毒害[1]。我國酸性土壤的分布面積較廣，包括南方15個省區，總面積為2 030萬hm2，約占全國土地總面積的21%[2]。隨著環境污染加劇及酸性氣體排放量的不斷增加，使得酸性土壤分布區域擴大。這些區域酸沉降造成土壤和地表水的酸化，嚴重影響農業生產的發展[3]。紫花苜蓿是一種優質的草料，在酸性土壤環境下，受到鋁的毒害較為嚴重，這就成為其在南方生長的主要限制因素[3]。雖然在土壤中添加石灰可以減少鋁對植物的毒害，但其對底層的土壤改良效果并不大，且大量的石灰也會對土壤結構造成板結[4]。因此，了解植物的耐鋁機制，培育耐鋁植物品種才能從根本上解決在酸性土壤中鋁對植物的毒害。本文將從生理和分子2個方面來闡述植物的耐鋁機制，以期為培育出適應酸性土壤生長的植物品種提供理論基礎。

1鋁毒的特征及作用位點

植物受到鋁脅迫時主要表現為根的生長受到抑制，從而限制了根對水分和營養物質的吸收，導致生長減緩[5]。細胞學的研究指出鋁毒可以造成脂質過氧化和細胞完整性的缺失，從而破壞細胞膜，同時也可導致細胞程序性死亡等，這些過程均抑制了根的正常生長[6]。也有研究指出，由于細胞膜上的脂質可以與鋁不可逆地結合，導致細胞膜與Al3+能緊密地連接在一起，使得細胞結構受到破壞[7]。Jones等在對玉米的研究中發現，鋁毒主要通過誘導玉米產生活性氧（ROS）和造成細胞壁僵化這2個過程抑制根的生長[8]。ROS對細胞產生的破壞主要是因為鋁脅迫下產生的活性氧如超氧陰離子自由基（O-2[KG-*2]· [KG-*3]）、羥自由基（·OH）、過氧化氫（H2O2）影響了細胞膜上脂肪酸等生物大分子的功能，造成脂質過氧化，破壞了細胞完整性，從而抑制了根的生長[9]。在鋁毒害中，根尖是鋁毒作用的主要位點，根尖因積累了過多的Al3+而受到了較大的損傷。根尖的分生組織是鋁作用的直接靶標位點[5]。Sivaguru等用對鋁敏感的玉米植株研究，更為深入地指出植物根尖轉運區域的末端是鋁毒作用的主要位置[10]。

[BT1-*3]2植物耐鋁機制

目前對植物耐鋁機制研究主要集中在生理和分子2個方[LM]面，生理方面的耐鋁機制主要為外部排斥（Al exclusion or avoidance）機制和內部耐受機制（Al tolerance）。此2種機制的區別為解除鋁的部位不同，前者位于質外體中，后者在共質體中。外部排斥機制為根細胞將大量Al3+排斥在原生質體以外，避免其進入細胞，主要包括根部分泌有機酸螯合Al3+形成穩定的無毒復合物、提高根冠pH值以及降低細胞壁果膠含量，保證細胞膜的完整性，避免Al3+進入細胞內。內部耐受機制包括細胞液中有機酸對Al3+的螯合、Al3+被區隔在液泡中、改變有機酸的代謝途徑以及激發一些其他的耐鋁代謝途徑（圖1）。

[FK（W17][TPLJ111.tif]

2.1植物耐鋁的生理機制

2.1.1外部排斥機制

2.1.1.1有機酸等螯合細胞外部的Al3+關于植物耐鋁外部排斥機制，目前研究最多的主要是根尖分泌有機酸來螯合細胞外的Al3+，將Al3+排斥在細胞外，避免其進入細胞。植物分泌的有機酸主要包括蘋果酸、檸檬酸、草酸，這些有機酸是存在于細胞溶膠內的去質子化的陰離子，當這些有機酸被轉運到植物根細胞外時，它就可以螯合根際周圍的Al3+，形成穩定、無毒的復合物。這3種有機酸與Al3+形成復合物的能力由大到小排列為：檸檬酸>草酸>蘋果酸[11]。研究表明，多種植物能通過分泌有機酸來實現耐受鋁毒，如小麥、玉米、大豆、柱花草、蕎麥、菠菜等[12-17]。更深入的研究表明有機酸釋放是通過質膜陰離子通道進行的，Sawaki等研究指出，小麥耐鋁的機制是通過根尖分泌的蘋果酸鹽陰離子從TaALMT1通道中排出后螯合Al3+所致[18]。Tian等用高效表達TaALMT1的耐鋁小麥E78研究了乙烯對植物耐鋁毒的作用，結果表明乙烯前體ACC和離子通道阻礙劑都可以阻止鋁誘導的小麥根尖蘋果酸的排出，這說明乙烯是通過作用于 TaALMTI 通道來抑制根尖中鋁誘導的蘋果酸鹽的外滲[19]。

根尖分泌的黏液也在植物耐鋁機制中發揮重要作用。早在1982年Horst就發現定期將根尖分泌的黏液移除后，鋁對根尖的抑制程度會增大，且對鋁高敏感性的根尖在沒有黏液的情況下根尖組織中鋁的含量也相應增多。這表明根尖分泌的黏液可以將Al3+螯合，避免根尖分生組織攝取Al3+，在植物耐鋁方面有一些作用[20]。Watanabe等研究了一種能在酸性土壤中積累Al3+的植物——白花印度野牡丹（Melastoma malabathricum），發現其根部分泌的黏液能夠促進鋁的積累，這說明黏液層能在植物耐鋁方面發揮作用[21]。Silva等以蓖麻種子為研究材料，研究根尖黏液層與耐鋁性的關系，指出根部黏液層在響應鋁毒脅迫時有重要的作用[22]。

2.1.1.2提高根冠的pH值根冠pH值上升產生屏障，可以迅速降低Al3+的溶解度，也能夠提高植物對鋁毒的耐受力[3]。Degenhardt等研究耐鋁的擬南芥突變體，發現其耐鋁性是由H+介導的，細胞外的H+進入到根細胞內后導致根冠pH值升高，使得根尖周圍的Al3+活力降低[23]。Pellet等對耐鋁以及對鋁敏感的小麥研究也發現，耐鋁品種分泌較多的無機磷，當其排出細胞后與質子結合，導致根冠pH值上升。而對鋁敏感品種無機磷的分泌量明顯減少，未能導致根冠pH值升高。因此根冠的pH值上升與耐鋁性有一定的關系[24]。

2.1.1.3細胞壁果膠以及細胞膜在植物耐鋁方面的作用Al3+的結合位點主要位于根細胞細胞壁的果膠處，正常情況下細胞壁結合Ca2+，但是Al3+的結合能力比Ca2+的結合能力強[25]，當Al3+結合到細胞壁后使得細胞壁的彈性減弱，這樣就會使細胞無法伸長[26]。很多研究顯示，根尖細胞果膠的含量以及果膠甲基化的程度與植物的耐鋁性有很大關系，它決定了Al3+結合到細胞壁上的數量。Eticha等研究了玉米根尖細胞壁中果膠的含量及其甲基化的程度與耐鋁性的關系，發現對鋁敏感的植株比耐鋁的植株細胞壁中含有更多的果膠和低甲基化的果膠，因此他們得出玉米細胞壁中果膠的含量以及甲基化程度與耐鋁性相關[27]。Yang等研究了耐鋁和不耐鋁的水稻細胞中果膠多糖的變化情況，在鋁處理后，不耐鋁水稻細胞壁中的果膠多糖、Al3+含量都比耐鋁水稻細胞壁中的多，這說明水稻根尖細胞壁中的果膠多糖在耐鋁方面有一定的作用[28]。Rangel等在對耐鋁和不耐鋁菜豆的研究中也得出了相似的結論[29]。由此可見，降低植物根尖細胞壁的果膠含量以及提高甲基化酶的活力能夠提高植物對Al3+的耐受力。最近有研究發現外源的NO可以通過降低根尖細胞果膠和半纖維素含量來降低根細胞壁Al3+的積累量，以此增強對鋁毒的耐性[30]。在缺P的條件下根尖細胞的脂質和果膠含量降低也可增強水稻耐鋁性[31]。

同樣細胞質膜上脂質的比例在植物耐鋁方面發揮著重要的作用[32]。Wagatsuma等通過對幾種耐鋁植物的研究指出，增加細胞膜上的固醇含量同時降低細胞膜上脂質的含量可以降低細胞膜的負電荷，這樣就保證了細胞膜的完整性，使得植物耐受鋁毒。同時他指出固醇含量增加的過程是由[WTBX][STBX]CYP51[WTBZ][STBZ]基因調控的[33]。

2.1.2內部耐受機制

2.1.2.1有機酸對細胞溶膠中Al3+的螯合作用有機酸也參與螯合細胞溶膠中的Al3+，降低Al3+在細胞溶膠中的含量。早在1998年，Ma等研究蕎麥指出，當Al3+進入細胞后，與細胞中的草酸以1 ∶[KG-*3]3（Al3+：草酸）的比例形成無毒的復合物，以此來降低Al3+對蕎麥的毒害[16]。在對一些木本植物耐鋁性研究中也發現了這個機制，當Al3+進入茶樹根細胞后，便會和草酸形成復合物，然后再以Al3+-檸檬酸或Al3+-草酸的形式從根轉移至芽中[34]。同樣在野牡丹中也有類似的機制，Al3+進入根細胞后便與檸檬酸螯合，然后轉移至芽中，在葉片中轉變為Al3+-草酸的復合物形式[35]。

2.1.2.2液泡的區隔化一些植物可以在其地上部分積累高含量的Al3+，1 kg干葉片中積累超過1 g Al3+的植物被稱為鋁超積累植物[36]。如蕎麥，在酸性土壤中生長時，其1 kg葉片中可以積累15 g Al3+[37]。通過對蕎麥這種較為耐鋁的植物研究發現，在蕎麥細胞內，Al3+能夠與草酸按照1 ∶[KG-*3]3的比例螯合形成無毒復合物。再由地下部位運輸至地上部位，在木質部中該復合物轉變為鋁-檸檬酸（1 ∶[KG-*3]1），然后以該形式被運輸至葉肉細胞中，在這里復合物又轉變回鋁-草酸的形式，最后將其貯存在液泡中，這種將鋁毒區隔化貯存在液泡中是植物耐鋁的一種有效方式[38]。

2.1.2.3活化代謝途徑植物的耐鋁性也依賴抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽（GSH）等。植物能夠利用這些復雜的酶系統來清除由鋁脅迫而產生的活性氧（ROS），所以增強植物抗氧化能力能夠提高植物的耐鋁性[38]。Sharma等研究水稻受到鋁毒作用時指出，鋁脅迫下水稻中SOD和APX的活力明顯升高，說明這2種酶在植物耐鋁機制中起著重要的作用[39]。Dai等研究了耐鋁小麥XZ16和鋁敏感小麥XZ61的轉錄組和蛋白組來比較其耐鋁性，發現XZ16的R-谷氨酰半胱氨酸合成酶（R-GCS）的含量比XZ61的高，而R-GCS是GSH合成的關鍵酶，這說明細胞中較多的GSH能夠增強植物的耐鋁性[40]。

植物激素能夠調節植物根的生長，在植物耐鋁過程中同樣發揮著重要的作用，且NO作為信號分子也參與植物耐鋁。目前的研究已指出NO是激素信號網絡中的激發子，能夠引起相關代謝和生理過程的發生，研究NO與激素信號的互作有利于闡明植物耐鋁的機制（圖2）。NO與植物激素共同調節植物耐鋁的信號網絡主要包括3個方面：在鋁脅迫下，NO誘導生長素和赤霉素的合成來促進DELLA蛋白的降解，同時乙烯和脫落酸發揮拮抗作用抑制該蛋白的降解，以此來提高植物耐受鋁毒的能力。DELLA蛋白是一個響應外界環境變化，調節生長的分子；NO通過蛋白質巰基亞硝基化作用 DELLA 蛋白的降解以改變對鋁的耐受性；NO通過加強生長素運輸蛋白（PIN1）的表達來促進生長素的運輸和合成，減弱Al3+對根生長的抑制能力[41]。

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2.2植物耐鋁分子水平的研究

在分子水平上對植物耐鋁性的研究主要集中于耐鋁相關基因，如控制蘋果酸和檸檬酸轉運的基因、修飾細胞壁的基因、將Al3+區隔于液泡的相關基因等，同時也發現了一些調控耐鋁基因表達的轉錄因子（表1）。一些新技術也被用來闡明植物耐鋁機制的分子網絡。

植物中第一個被報道的與蘋果酸鹽釋放有關的基因是小麥中鋁激活蘋果酸轉運蛋白基因[WTBX][STBX]ALMT1[WTBZ][STBZ]，該基因編碼的膜蛋白能夠在耐鋁植物的根尖中大量表達，說明其編碼的鋁激活蘋果酸鹽轉運蛋白與植物耐鋁有關[18]。在其他物種中[WTBX][STBX]ALMT1[WTBZ][STBZ]基因也被證明與植物耐鋁性有關，如Hoekenga等研究了擬南芥中與[WTBX][STBX]ALMT1[WTBZ][STBZ]同源的基因[WTBX][STBX]AtALMT1[WTBZ][STBZ]，發現該基因是擬南芥耐鋁的一個重要因素[42]；油菜中的同源基因[WTBX][STBX]BnALMT1[WTBZ][STBZ]和[WTBX][STBX]BnALMT2[WTBZ][STBZ]也被證明是植物耐鋁的基因[43]；在黑麥中也克隆到了同源基因[WTBX][STBX]ScALMT1[WTBZ][STBZ]，也被證明與植物耐鋁有關[44]。檸檬酸鹽的釋放也同樣受到來自MATE家族中不同的轉運蛋白調節[45]，Furukawa等從大麥中克隆到了1個MATE家族的基因[WTBX][STBX]HvAACT1[WTBZ][STBZ]，發現在該基因編碼的鋁激活的檸檬酸轉運蛋白主要在耐鋁大麥植株根細胞中連續表達，該研究指出[WTBX][STBX]HvAACT1[WTBZ][STBZ]基因與大麥的耐鋁性有關[46]。后來相繼在擬南芥[47]、玉米[48]、小麥[49]、赤小豆[50]、水稻[51]的研究中揭示MATE家族基因的確與植物耐鋁性有關。Han等從水稻中分離出1個基因[WTBX][STBX]OsCS1[WTBZ][STBZ]，通過序列分析發現該基因編碼線粒體檸檬酸的合成，在轉基因煙草中表達該基因后能夠增加檸檬酸的釋放以及顯著提高煙草的耐鋁性，這表明[WTBX][STBX]OsCS1[WTBZ][STBZ]基因可以提高植物的耐鋁性[52]。Liu等研究了擬南芥中編碼鋁激活的檸檬酸轉運蛋白的[WTBX][STBX]AtMATE[WTBZ][STBZ]基因和編碼鋁激活的蘋果酸轉運蛋白的[WTBX][STBX]AtALMT1[WTBZ][STBZ]基因在植物耐鋁過程中的相互作用，發現[WTBX][STBX]AtMATE[WTBZ][STBZ]基因和[WTBX][STBX]AtALMT1[WTBZ][STBZ]基因的表達是2個獨立的過程，這表明這2個轉運系統在耐鋁過程中是不受對方影響的，他們還發現[WTBX][STBX]AtMATE[WTBZ][STBZ]介導的檸檬酸轉運過程和[WTBX][STBX]AtALMT1[WTBZ][STBZ]介導的蘋果酸轉運過程都是由擬南芥在酸性條件下編碼鋅指蛋白的[WTBX][STBX]STOP1[WTBZ][STBZ]基因控制的[47]。

Huang等在研究水稻耐鋁性時發現水稻中的2個基因[WTBX][STBX]STAR1[WTBZ][STBZ]和[WTBX][STBX]STAR2[WTBZ][STBZ]，這2個基因分別編碼ATP結合區轉運蛋白（ABC轉運蛋白）的核苷酸結合區和跨膜區，具有ABC轉運蛋白的功能，該研究指出ABC轉運蛋白可以轉運UDP-葡萄糖，水稻很可能就是通過ABC蛋白對細胞壁修飾來耐鋁毒害的[53]。Larsen等在研究擬南芥時發現了[WTBX][STBX]ALS1[WTBZ][STBZ]基因與耐鋁性的關系，該基因可以編碼ABC轉運蛋白，缺乏該基因的突變株與野生型相比根被抑制的程度明顯增強，同時GUS染色也發現該基因主要位于根尖和植物的液泡，進一步將該基因與GFP相連，結果顯示熒光信號主要積累在根細胞的液泡膜上，這表明該基因與細胞內部的一個耐鋁機制：通過將Al3+螯合后將其區隔化有關。但是該轉運蛋白參與鋁區隔化的過程并不是很清楚[54]。最近Yamaji等報道了1個C2H2型的鋅指轉錄因子ART1，可以調控水稻耐鋁基因[WTBX][STBX]STAR1[WTBZ][STBZ]和[WTBX][STBX]STAR2[WTBZ][STBZ]以及其他物種中與之同源的耐鋁基因的表達。這些下游的基因中有1個與擬南芥[WTBX][STBX]ALS1[WTBZ][STBZ]同源的基因[WTBX][STBX]OsALS1[WTBZ][STBZ][55]，Huang等研究也指出擬南芥[WTBX][STBX]ALS1[WTBZ][STBZ]受到ART1的調節[56]。水稻中Nramp轉運蛋白1（Nrat1）也被證明與耐鋁性相關，Nrat1屬于Nramp家族，是一個位于根尖細胞質膜上能夠轉運Al3+的轉運蛋白，它可以將進入細胞內的Al3+隔離于液泡中[57]。后續的研究也證明在水稻中Nrat1可以通過減少根細胞壁結合鋁離子，并將Al3+轉運到液泡中，以降低鋁毒的水平[58]。受到ART1轉錄因子調節的基因還有[WTBX][STBX]OsFRDL4、OsCDT3、OsMGT1[WTBZ][STBZ]等，且都與植物耐鋁毒有關[59]。

最近Arenhart等通過全基因組分析水稻ASR5調控的耐鋁基因指出ASR5可以作用于靶標基因的啟動子來調控相關耐鋁基因的表達，這其中就包括水稻中耐鋁的STAR基因，這說明ASR5作為一個轉錄因子對于水稻耐鋁相關基因的表達是必需的[60]。

近年來蛋白質組學的研究也為植物耐鋁機制的闡明提供了有力的工具，Yang等通過蛋白質組學的方法研究了1個耐鋁的水稻品種XN1，運用雙向電泳技術和質譜技術分離出了17個與耐鋁有關的蛋白質，這些蛋白質主要與抗氧化、解毒以及信號轉導有關[61]。Wang等通過蛋白質組學、生物信息學以及qPCR等方法分析了水稻根尖經Al3+處理后蛋白質的表達情況，發現糖異生是水稻耐鋁的一個重要的調節過程[62]。雖然目前對于這些分離出的蛋白質的具體作用還不是很清楚，但是通過蛋白質組學的方法能夠更加深入地研究植物的耐鋁機制。

通過以上的研究可以看出，植物的耐鋁性是受到多個基因控制的（表1），所以運用基因工程等手段來培育耐鋁毒植物時應該將多個耐鋁基因轉入植物中，以增強植物耐鋁的能力。

3研究展望

綜上所述，我們了解到植物耐受鋁脅迫是一個多層次、多途徑、多基因控制的過程，雖然國內外的研究在植物耐鋁方面已經取得一些成就，如發現了植物耐鋁機制的外部途徑與內部途徑以及與此相關的一些基因等，但是還是有很多問題亟待解決。今后的研究方向應該主要集中在以下幾個方面，以期闡明植物耐受鋁毒的機制。

第一，盡管有機酸的分泌已經被證明與植物耐鋁相關，但是在鋁脅迫下，有機酸在細胞內的具體代謝過程還不是很清楚，在TCA循環中，哪些物質或酶的改變使得有機酸分泌增多，也需要進一步探究。

第二，近年來的研究指出抗氧化酶及植物激素等也在植物耐鋁過程中發揮重要的作用，那么對于這些與耐鋁相關的代謝過程和信號轉導過程之間是否存在聯系，也將是下一步研究的熱點。

第三，目前已經發現了很多與耐鋁相關的基因。如在ALMT1、MATE、ABC轉運蛋白等家族中都發現了耐鋁的相關基因，也發現了調控耐鋁基因表達的相關調控因子，這些基因參與調控有機酸的分泌、細胞壁修飾、液泡區隔化等過程。下一步應該集中在轉錄組水平或蛋白質水平來發掘更多與耐鋁相關的基因，同時研究抗氧化酶基因的表達也將提高植物耐受鋁毒的能力。

第四，轉錄因子對相關耐鋁基因的調控也應受到重視，將有助于了解植物耐鋁的整個分子網絡，能從根本上闡明植物耐鋁的機制。

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