徐 超

（廣東智環(huán)創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司，廣州 510045）

研究發(fā)現(xiàn)，植物生長于重金屬污染的環(huán)境中，植物體內(nèi)游離氨基酸中的羧基、氨基、巰基和酚基等功能團能與金屬離子結(jié)合，形成穩(wěn)定的螯合物，對有毒重金屬具有鈍化和解毒作用；游離氨基酸中的脯氨酸、谷氨酸、半胱氨酸還是植物螯合肽合成前體，而植物螯合肽被認(rèn)為對植物重金屬耐性起重要作用[1-2]。對重金屬脅迫下各種植物和微生物的研究發(fā)現(xiàn)，其體內(nèi)各種有機小分子在其重金屬耐性和富集中發(fā)揮重要作用，這些有機小分子包括有機酸、氨基酸、植物螯合肽等[3-4]。本文擬對目前國內(nèi)外有關(guān)脯氨酸以及植物和微生物重金屬耐性和富集的研究進(jìn)行綜述，重點闡述脯氨酸在各種植物和微生物中的重金屬耐性研究進(jìn)展。

1 脯氨酸與重金屬耐性

很多植物和藻類對有毒重金屬作出響應(yīng)和解毒的一種機理就是合成脯氨酸[5-9]。而有研究指出，同一物種下不同金屬耐性生態(tài)型的植物，其體內(nèi)脯氨酸的含量差別顯著：Armeria maritima中Cu耐性的生態(tài)型根部脯氨酸含量明顯高于非金屬耐性生態(tài)型；Deschampsia cespitosa中Zn耐性生態(tài)型根部脯氨酸含量是非金屬耐性的4倍。與前兩者不同，Silene vulgaris中金屬耐性生態(tài)型的脯氨酸含量是非金屬耐性生態(tài)型的5～6倍，但高含量的脯氨酸卻定位于葉[4]。Ba?kor等對地衣共生藻Trebouxia erici研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸在細(xì)胞中基于重金屬處理時間、處理濃度和株型差異的積累與先前在自由生活的藻類中觀察到的結(jié)果相近，金屬耐性株系細(xì)胞中脯氨酸的含量基本高于非耐性株系[10]。Wu CT等在一些藻類中發(fā)現(xiàn)，對Cu耐性較高的品種同時在細(xì)胞內(nèi)積累更多的脯氨酸[11]。一些植物在重金屬脅迫下積累脯氨酸的研究統(tǒng)計結(jié)果如表1、表2所示。

表1 重金屬誘導(dǎo)脯氨酸積累研究統(tǒng)計結(jié)果（一）

表2 重金屬誘導(dǎo)脯氨酸積累研究統(tǒng)計結(jié)果（二）

Siripornadulsil等利用轉(zhuǎn)基因的方法提高Chlamydomonas reinhardtii脯氨酸含量，以研究脯氨酸與重金屬耐性，發(fā)現(xiàn)在非脅迫環(huán)境下，增強合成脯氨酸對C.reinhardtii的生長有輕微的促進(jìn)作用；而在100 μmol/L Cd處理下，轉(zhuǎn)基因型的生長速率是野生型的1.5倍，同時轉(zhuǎn)基因型的葉綠素含量亦顯著多于野生型，轉(zhuǎn)基因型最高時能在胞內(nèi)積累比野生型多3.2倍的Cd，但是轉(zhuǎn)基因型的Cd耐性只比野生型稍強[12]。轉(zhuǎn)基因型胞內(nèi)脯氨酸含量比野生型多80%，但50 μmol Cd處理并沒有引起轉(zhuǎn)基因型或是野生型脯氨酸含量的增加。支立峰等以煙草細(xì)胞為試驗材料也獲得相近的結(jié)果[13]。

Tripathi和Gaur研究了外源添加脯氨酸對Scenedesmus sp.重金屬耐性的影響，發(fā)現(xiàn)該藻類在添加外源脯氨酸的情況下比對照吸收了更多的Cu和Zn，同時重金屬對細(xì)胞的毒害也減輕[14]。這一研究結(jié)果與Ba?kor等對地衣共生藻Trebouxia erici的研究結(jié)果接近：當(dāng)Cu與脯氨酸一起添加到培養(yǎng)基中，Cu耐性的T.erici的生長得到明顯促進(jìn)，其葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b以及胡蘿卜素的含量顯著上升，而野生型光合系統(tǒng)Ⅱ的產(chǎn)量也顯著增加[10]。

2 脯氨酸的作用

Sharma等的研究顯示，在離體情況下，脯氨酸能有效保護(hù)酶活性免受重金屬的影響[15]。脯氨酸對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的保護(hù)是通過與Cd形成無毒的Cd-脯氨酸復(fù)合物實現(xiàn)的，而這個結(jié)論同樣適用于脯氨酸在Zn脅迫下對該酶的保護(hù)。

然而，脯氨酸與重金屬形成復(fù)合物并不是重金屬誘導(dǎo)所積累的脯氨酸的主要功能，或者說脯氨酸并不是主要通過與重金屬形成螯合物來緩解重金屬的毒性的[15]。因為金屬-脯氨酸復(fù)合物的穩(wěn)定常數(shù)太低，不太可能防止重金屬與酶的結(jié)合[16]。即使脯氨酸的濃度積累至1 mol/L，像Cd和Cu等親硫金屬在細(xì)胞質(zhì)環(huán)境中仍主要與硫醇結(jié)合，而Cd和Cu能強烈誘導(dǎo)植物螯合肽的合成[17-18]。對Silene vulgaris的研究發(fā)現(xiàn)，即便在重金屬脅迫誘導(dǎo)合成大量脯氨酸的情況下[6]，植物螯合肽在施加重金屬處理的較短時間里結(jié)合了95 %以上的水溶態(tài)Cd[19-20]。在Cu脅迫下的情況也一樣[15]。另外，與硫親和性較低的金屬，如Zn，在細(xì)胞質(zhì)pH條件下被認(rèn)為主要與蘋果酸、檸檬酸等羧酸結(jié)合[17]。Siripornadulsil等利用擴展的X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究了轉(zhuǎn)基因和野生型C.reinhardtii細(xì)胞內(nèi)Cd的配位情況，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因型中，Cd被植物螯合肽螯合而不是脯氨酸，野生型中Cd從四個方向被兩個氧原子和兩個硫原子配位[12]。Sharma等認(rèn)為，重金屬誘導(dǎo)積累的脯氨酸主要在滲透調(diào)節(jié)和避免酶脫水方面起作用，而不是螯合重金屬[15]。

在重金屬脅迫中脯氨酸的作用是多方面的，但主要是抗氧化脅迫方面的作用。Mehta和Gaur報道外源脯氨酸能降低Cu、Cr、Ni和Zn處理下Chlorella vulgaris的脂質(zhì)過氧化和K+流失[8]。Siripornadulsil等也報道，Cd脅迫下野生型C.reinhardtii細(xì)胞內(nèi)MDA（丙二醛，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物）含量比轉(zhuǎn)基因型高70%，而轉(zhuǎn)基因型胞質(zhì)中MDA含量較對照沒有變化（50 μmol/L Cd脅迫）；同時野生型GSSG含量較對照增加了3倍而轉(zhuǎn)基因型中較對照沒有增加，野生型的GSH：0.5GSSG比值較轉(zhuǎn)基因型下降了4倍，說明在Cd脅迫下，轉(zhuǎn)基因型的胞質(zhì)比野生型處于一個更還原的狀態(tài)[12]。由于轉(zhuǎn)基因型本身胞質(zhì)中脯氨酸水平比野生型高80%，因此可以推測，脯氨酸直接作為一種抗氧化劑保護(hù)細(xì)胞免受重金屬脅迫而產(chǎn)生自由基的毒害。Tripathi和Gaur的研究也支持這一觀點：抗壞血酸和苯甲酸鈉的分別預(yù)處理減少了重金屬處理下Scenedesmus sp.細(xì)胞中MDA的含量，同時也減少了脯氨酸的積累，如圖1所示[14]。抗壞血酸是一種抗氧化劑，而苯甲酸鈉是一種自由基清除劑，因此可以認(rèn)為在金屬脅迫下的脯氨酸積累，其主要作用是抗氧化。

另外，受脅迫植物對脯氨酸的積累是與減少生物膜和蛋白的損傷相互關(guān)聯(lián)的[21]。脯氨酸的合成亦被指能緩解細(xì)胞質(zhì)酸化，維持細(xì)胞內(nèi)NADP+/NADPH比例在新陳代謝的正常水平[22]。脯氨酸的快速代謝能給線粒體中進(jìn)行的氧化磷酸化提供支持，產(chǎn)生ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）用以修復(fù)脅迫引起的損傷。

圖1 抗壞血酸（Ascorbate）和苯甲酸鈉（Sodium benzoate）預(yù)處理減少重金屬脅迫下Scenedesmus sp.細(xì)胞中MDA和脯氨酸的積累

3 結(jié)語

植物在重金屬脅迫下加強體內(nèi)脯氨酸的合成是一個普遍的現(xiàn)象。植物的金屬耐性生態(tài)型一般比非金屬耐性的生態(tài)型合成更多的脯氨酸，具有更高的體內(nèi)脯氨酸水平。利用轉(zhuǎn)基因的分子技術(shù)提高脯氨酸的含量，能加強植物的重金屬耐性，外源添加脯氨酸能顯著減輕重金屬對植物的毒害作用。

脯氨酸主要是通過自身的抗氧化特性，增強胞質(zhì)環(huán)境的還原性來緩解重金屬毒害，而不是與重金屬離子形成復(fù)合物。脯氨酸能顯著緩解重金屬脅迫導(dǎo)致的脂質(zhì)過氧化，抑制K+流失，促進(jìn)谷胱甘肽的合成從而有利于合成植物螯合肽。

相對于單個氨基酸分子，蛋白質(zhì)或多肽具有更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在與重金屬的結(jié)合、解毒方面具有更高的穩(wěn)定性。此外，氨基酸的各種衍生物也可能在各種重金屬的耐性和富集中發(fā)揮作用。

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