氧化石墨烯影響植物鎘吸收的研究進展*

王 珅 馬 旭 陳易開 孫津歌 任秋婷 楊 琳

（天津師范大學生命科學學院，天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387）

近年來，重金屬污染問題引起人們廣泛關注，據報道國內受重金屬污染的耕地面積已達2 000 萬hm2。重金屬是密度大于4.5 g/cm3的金屬元素，具有易在生物體內富集、毒性大、難以降解等特點，給人類及其他動物生存和植物生長帶來巨大危害[1]。

鎘（Cd）是毒性最強、分布最廣的重金屬污染物，是動、植物生長發育過程中的非必需元素，對人類和其他生物均有毒害作用，對土壤環境也具有極大的危害，使土壤質量降低[2]。成年人每天攝入約30～50 μg 鎘會增加骨折、癌癥、腎功能不全和高血壓的風險[3]。鎘會影響植物的生長發育，包括葉綠素含量的減少、活性氧的過量生產及脂質過氧化和丙二醛濃度的增加[4]。

氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是石墨烯的氧化物，屬于石墨烯的衍生物，其表面含有羥基與環氧基等含氧官能團。Zhao 等[5]研究發現，GO的中間層帶負電，易于吸附帶正電的金屬離子，為陽離子提供了大量的交換位點（圖1）。Zhao等[6]利用GO 作為吸附劑去除水中鎘（Ⅱ）離子，該研究發現在pH=6.0、絕對溫度303 K 的條件下，GO 對鎘（Ⅱ）的最大吸附量為106 mg/g。

圖1 氧化石墨烯與金屬離子結合的4 種機制[5]

植物修復重金屬具有不會造成二次污染、環境友好和廉價的特點，但鎘富集效率有待提高。本文討論了鎘與GO 單獨或共同處理對植物生長及轉錄組的影響，總結了GO 影響植物鎘吸收的研究進展。

1 鎘對植物生長的影響

鎘是一種重金屬污染物，據報道，我國有數以萬傾的土壤存在鎘污染，其中鎘含量超標的農作物年產量也在逐漸上升[7]。盡管極低濃度鎘能促進某些植物生長，但在高濃度鎘處理下植物生長會受抑制。王利芬等[8]研究表明，隨著鎘濃度的升高，金盞菊（Calendula officinalis）和萬壽菊（Tageteserecta）2 種植物莖伸長生長量呈現先上升后下降的趨勢，并在1 mg/L 的鎘處理下達到最大值。張守文等[9]研究發現，與對照組相比，當鎘添加量在0～5 mg/kg 時，油菜地上部分干重增加，而當鎘添加量大于20 mg/kg 時，油菜地上部分干重降低。汝佳鑫[2]研究發現，隨鎘濃度的不斷升高，長白落葉松（Larix olgensis）的幼苗根、莖、葉干重呈現先增加后減少的趨勢，說明低濃度鎘處理可促進部分植物生長。高濃度鎘處理，可引起植物根、莖、葉損傷。二價鎘離子（Cd2+）被植物根系吸收后，通過破壞線粒體而造成植物細胞呼吸作用降低，最終誘導細胞走向死亡。此外，Cd2+還可通過破壞葉綠體結構，進而對光合作用等生理活動產生影響[10]。Lin 等[11]研究發現，植物在鎘脅迫下響應的信號轉導途徑，可通過3 種方式影響ROS（活性氧）的積累：1）過量的Cd2+誘導miR398 表達，抑制Cu、Zn、SOD（CSD）的功能，從而誘導ROS積累；2）過量的Cd2+會抑制細胞內第二信使Ca2+的調控作用，并通過抑制CSD 活性以刺激ROS 的積累；3）過量的Cd2+會增強NADPH 氧化酶，從而導致額外的H2O2產生（圖2）。在對金屬敏感的植物中，Cd-ROS-MAPK 信號通過不同的過程引起損害：1）激素信號通路的中斷；2）抑制光合作用；3）破壞生物大分子；4）誘導細胞衰老；5）誘導程序性細胞死亡[12]。

圖2 鎘脅迫下植物細胞內ROS 積累途徑示意圖[11]

2 不同濃度氧化石墨烯對植物生長的雙重作用

殷玲玉[13]研究發現，經GO 處理的玉米幼苗的根、地上部分苗鮮重相較于對照組均減少，用500 mg/L GO 處理達到最小值。洪瑩等[14]研究發現，在盆栽實驗中當GO 濃度高于30 mg/g 時，多年生黑麥草的株高與生物量受到顯著抑制，且抑制作用隨GO 濃度的升高而不斷增強。GO 對植物的抑制作用可能主要是通過與植物細胞上的氨基相互作用，使GO 被吸附或包裹在細胞周圍，從而抑制植物生長[15-16]。Zhang 等[17]研究發現，當GO與細胞相互作用時，ROS 的產生也有所增加。有研究顯示，外源性污染物可通過產生ROS 誘導氧化應激，過量的ROS 會導致脂質、碳水化合物、蛋白質和DNA 損傷，導致細胞死亡[18]。然而，當GO濃度降低時會對植物的生長發育產生完全不同的效果。Zhang 等[19]研究發現，用40 mg/L GO 處理，煙草種子萌發階段吸水速率上升，萌發速度加快；幼苗階段用GO 處理可促進根和莖的伸長生長。He 等[20]研究發現，用50 mg/L GO 處理，可促進菠菜和細香蔥2 種植物種子萌發。目前，GO促進植物生長的機制主要有2 個方面的報道：1）GO 的含氧基團可吸附水分，而疏水結構域SP2可傳導水分[21]。GO 具有的親水和傳導水分的特性，可促進植物吸收水分，從而促進植物生長[22]（圖3）。2）用GO 處理可減少土壤養分的淋溶損傷，從而提高土壤肥力[23]。因此，高濃度GO 處理可能會抑制植物生長，而低濃度GO 處理可促進植物生長[22,24]。

圖3 GO 促進植物根吸水示意圖

3 氧化石墨烯與鎘共存對植物轉錄組的調節

有報道顯示，浮萍不僅能有效降解廢水中的有毒、有害物質，而且能凈化廢水[25]。Yang 等[26]研究表明，用100 mg/L GO 與50 μmol/L CdCl2共同處理，浮萍（Lemna turionifera）5511 根部鎘離子熒光強度達到最大值（圖4），且當GO 濃度為100～300 mg/L時，生長效果優于鎘單獨處理組，表明低濃度的GO 對鎘脅迫下浮萍的生長起保護作用（圖5）。隨GO 濃度增加，熒光強度有所下降，但仍顯著高于鎘單獨處理。通過鎘離子流測定發現，在加入GO 后，鎘離子內流速度相較于鎘單獨處理顯著提高。以上結果表明，GO 的存在刺激浮萍根系對鎘離子的吸收，但隨GO 濃度的不斷提高，該功能逐漸降低。

圖4 不同濃度GO 處理下浮萍根部鎘離子熒光情況[26]

圖5 不同濃度GO（mg/L）與50 μmol/L CdCl2共同處理2 d 和10 d 浮萍的表型[26]

在GO 與鎘共存的條件下，對植物轉錄組和表達組變化的研究也日益增多。Yang 等[26]研究表明，通過對比GO 與鎘共存及鎘單獨處理的浮萍，共發現7 701 個差異表達基因，其中3 230 個基因下調，4 471 個基因上調。在通路富集分析中，浮萍吞噬體相關基因在GO 與鎘共存條件下相對于鎘單獨處理中有顯著的下調。同時，STX7 和RAB7 的表達量均被下調。其中RAB7 是一個分子開關，它將吞噬體與微管運動相聯系。在微管中很重要的Tubastatin B（TUBB）也被下調，鈣內蛋白/CALR 系統（在內質網上）的基因受到調節，該基因促進了早期吞噬體膜上NADPH 氧化酶的活性，這意味著能量供應的減少。張曉等[21]研究發現，在含有GO 的營養液中培養玉米（Zea maysL.），對根系差異基因進行Gene Ontology 分析，相較于野生型玉米根系，轉錄組上調表達基因和下調表達基因主要集中在對鹽脅迫、鎘脅迫、刺激脅迫和含氧化合物的響應等方面。通過對差異表達基因進行顯著性富集KEGG 通路分析，GO 與鎘共存條件下，上調基因主要富集在糖異生/酵解、檸檬酸循環、丙酮酸代謝、植物激素信號轉導和碳代謝等通路，下調基因主要富集在硫胺素代謝和植物-病原互作等通路，與Yang 等[26]的研究結果一致。對差異表達基因進一步分析后發現，GO 處理后導致44 個轉錄因子表達發生顯著變化，其中，GO 影響了大量的激素調控轉錄因子的表達，主要包括生長素、赤霉素（GA）、茉莉酸（JA）、脫落酸（ABA）和乙烯等相關轉錄因子。GO使6 個與乙烯相關轉錄因子下調，說明GO 可能通過抑制根系的乙烯信號通路從而促進根系生長。綜上表明，GO 可能加強植物對鎘的吸收和積累，同時促進植物的生長。

4 展望

隨著GO 影響植物吸收鎘的深入研究，GO 與鎘共存對植物轉錄組和表達組的研究意義也日益突出。通過比較不同處理條件下植物差異表達基因，對差異表達基因進行Gene Ontology 和顯著性富集KEGG 通路分析等，特別是采用轉基因和基因沉默等方式驗證差異表達基因對植物生長代謝的影響，改善植物耐鎘能力，將為解決環境重金屬污染和提高植物耐鎘能力的研究和應用提供理論依據。