土壤重金屬鎘對高等植物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

熊敏先，吳迪，許向?qū)?，鄭明陽，邢?/p>

1. 成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059 2. 四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都610041 3. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇五地質(zhì)隊(duì)，成都611830

隨著工業(yè)和城市化發(fā)展，人類在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量含鎘(cadmium, Cd)廢棄污染物。同時(shí)人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量使用含Cd化肥農(nóng)藥，采用受工業(yè)污染的含Cd水源進(jìn)行灌溉。此外，在礦產(chǎn)資源開采過程中產(chǎn)生的含Cd尾礦堆積，均是造成土壤中Cd含量超標(biāo)的重要因素[1]。由于Cd易被植物根系所吸收且具有較高的向上遷移率，受污染土壤中的植物吸收Cd后通過食物鏈最終累積傳遞給人類，對人類健康造成危害。人類所攝取的Cd 70%來源于植物，且其半衰期長達(dá)10～30 a[2]。植物根系所吸收的Cd通過導(dǎo)管的蒸騰拉力向地上各部位運(yùn)輸并積累。土壤Cd污染還會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)Cd積累，當(dāng)植物體內(nèi)Cd濃度超過一定閾值，會(huì)對植物的生長發(fā)育[3-4]、生理生化過程[3,5]及作物產(chǎn)量和品質(zhì)[6-8]產(chǎn)生危害，當(dāng)Cd含量達(dá)到5～10 mg·g-1時(shí)，甚至導(dǎo)致植物死亡[9]。本文主要探討Cd污染土壤上具有食用和其他經(jīng)濟(jì)價(jià)值的作物和藥材類植物所受影響，未考慮Cd對藻類、菌類和地衣類等低等植物毒性效應(yīng)。重點(diǎn)綜述了上述高等植物在生長發(fā)育、生理生化、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量和品質(zhì)方面所受影響，并著重介紹了Cd對植物保護(hù)酶系統(tǒng)、光合作用等毒性效應(yīng)機(jī)理，旨在為土壤重金屬Cd的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與生態(tài)安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，也為Cd污染土壤的植物萃取修復(fù)技術(shù)提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 Cd對植物生長發(fā)育的影響(Effects of cadmium on plant growth and development)

已有的研究表明，低濃度的Cd促進(jìn)植物種子萌發(fā)和植株生長[10-12]，而過量的Cd會(huì)導(dǎo)致植物生物量減少、生長發(fā)育遲緩，甚至萎黃壞死[13-15]。Cd對植物生長發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在種子萌發(fā)(表1)、營養(yǎng)生長(表2)和生殖生長(表3) 3個(gè)方面。

1.1 對種子萌發(fā)的影響

Cd主要通過抑制發(fā)芽種子中淀粉酶活性、降低可溶性糖和還原糖的含量，從而減少種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量，最終降低種子發(fā)芽率并影響幼苗的后續(xù)生長[16]。不同種類的高等植物種子對Cd耐受性差異較大，野茼蒿(GynuracrepidioidesBenth)[17]、水稻(OryzasativaL.)[18]和豌豆(PisumsativumL.)[19]種子萌發(fā)在較低濃度的Cd脅迫下便被顯著抑制，而小麥(TriticumaestivumL.)[11]對Cd脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)為經(jīng)典的“低促高抑”現(xiàn)象。此外，以玉米(ZeamaysL.)[11, 20]、桑樹(MorusalbaL.)[21]為例，同一種植物不同品種對Cd的耐受性也存在顯著差異。而無論Cd濃度高低，均顯著抑制3個(gè)芥菜品種(Pusabold、Pusabahar與Pusaagrani)的種子萌發(fā)[22](表1)。不同物種種子萌發(fā)對Cd的耐受差異較大，可能是由于單、雙子葉植物種子結(jié)構(gòu)不同，以及參與種子萌發(fā)相關(guān)基因在單、雙子葉植物中存在功能分化。而水稻、玉米雖同為單子葉植物，但其Cd耐受性也存在顯著差別，可能與不同單子葉植物間相關(guān)萌發(fā)調(diào)控機(jī)制存在差異有關(guān)。玉米、桑樹等同種植物不同品種間存在Cd耐受性的差異，可能由于不同品種間相關(guān)基因存在SNP/InDel或表達(dá)量的差異。

表1 Cd對高等植物種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of Cd on seed germination of higher plants

表2 Cd對高等植物營養(yǎng)生長的影響Table 2 Effects of Cd on vegetative growth of higher plants

表3 Cd對高等植物生殖生長的影響Table 3 Effects of Cd on reproductive growth of higher plants

1.2 對營養(yǎng)吸收及生長的影響

Cd對芹菜(ApiumgraveolensL.)[23]、花生(ArachishypogaeaL.)[12]和油菜(BrassicanapusL.)[24]幼苗生長的影響也主要表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象(表2)。過量Cd脅迫不僅嚴(yán)重抑制植物地上部分生長，造成株高降低，還會(huì)導(dǎo)致其葉片出現(xiàn)明顯的萎黃和壞死[12, 23-26]。此外，根是植物重要的營養(yǎng)吸收和代謝器官，也是土壤重金屬Cd進(jìn)入植物的第一道屏障，其生長狀況和代謝強(qiáng)度將直接影響植物的生長狀況。Cd脅迫通過引起根系中活性氧(ROS)積累，造成蠶豆(ViciafabaL.)[27]、大麥(HordeumvulgareL.)[28]等植物根尖細(xì)胞發(fā)育異常，如分生區(qū)細(xì)胞分裂活性下降及細(xì)胞伸長受抑制等。Cd脅迫還限制了番茄(SolanumlycopersicumL.)[29]、冬小麥[30]等植物根的長度，導(dǎo)致其根系比表面積降低，營養(yǎng)元素與水分吸收效率下降，最終影響植株的營養(yǎng)生長。

1.3 對生殖生長的影響

Cd脅迫對植物的開花和成花過程也具有毒性效應(yīng)，可能是由于植物根系水分和礦質(zhì)營養(yǎng)吸收、體內(nèi)激素合成、運(yùn)輸及響應(yīng)等生理過程以及相關(guān)酶活性受到抑制，從而直接或間接影響到開花相關(guān)基因的表達(dá)。研究表明，Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致鼠尾草(SalviajaponicaThunb.)花序的數(shù)量減少[31]，黃瓜(CucumissativusL.)開花延遲、花的性向轉(zhuǎn)變[32]，以及玉米[33]、曼陀羅(DaturastramoniumL.)花粉與胚珠發(fā)育異常[34]等。此外，Cd脅迫下油菜花粉粒受損，而胞質(zhì)中Ca2+濃度升高，可能是由于Cd脅迫誘發(fā)了花粉細(xì)胞中一系列依賴于Ca2+的生理生化反應(yīng)[35](表3)。

2 Cd對植物生理生化特性的影響(Effects of cadmium on plant physiological and biochemical properties)

Cd對植物生理生化特性的影響是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，Cd脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)ROS的積累，損傷蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，破壞抗氧化系統(tǒng)，誘發(fā)膜脂過氧化傷害，誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成，并影響光合作用(圖1)。

2.1 對抗氧化系統(tǒng)的影響

Cd脅迫誘導(dǎo)植物細(xì)胞氧化應(yīng)激并產(chǎn)生ROS，ROS的產(chǎn)生與清除間的動(dòng)態(tài)平衡被打破是植物受Cd毒害的原因之一。植物長期進(jìn)化過程中形成的ROS清除系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)等抗氧化酶系統(tǒng)及谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸(AsA)等非酶系統(tǒng)[1](圖2)。

圖1 Cd對高等植物生理生化特性的影響注：ROS表示活性氧；SOD表示超氧化物歧化酶；CAT表示過氧化氫酶；GPX表示谷胱甘肽過氧化物酶；APX表示抗壞血酸過氧化物酶； AsA表示抗壞血酸；GSH表示谷胱甘肽；MDA表示丙二醛；Pro表示脯氨酸；TFs表示轉(zhuǎn)錄因子； NADPH表示還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。Fig. 1 Effects of Cd on physiology and biochemistry of higher plantsNote: ROS stands for reactive oxygen species; SOD stands for superoxide dismutase; CAT stands for catalase; GPX stands for glutathione peroxidase; APX stands for ascorbate peroxidase; AsA stands for ascorbic acid; GSH stands for glutathione; MDA stands for malondialdehyde; Pro stands for proline; TFs stands for transcription factors; NADPH stands for reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.

圖2 Cd對高等植物抗氧化系統(tǒng)的影響注：SOD表示超氧化物歧化酶；CAT表示過氧化氫酶；GPX表示谷胱甘肽過氧化物酶；APX表示抗壞血酸過氧化物酶；AsA表示抗壞血酸； MDHA表示單脫氫抗壞血酸；MDHAR表示單脫氫抗壞血酸還原酶；DHA表示雙脫氫抗壞血酸；DHAR表示脫氫抗壞血酸還原酶；GSH表示谷胱甘肽； GSSG表示氧化型谷胱甘肽；GR表示谷胱甘肽還原酶；NADPH表示還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸；NADP表示煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。Fig. 2 Effects of Cd on antioxidative defense system of higher plantsNote: SOD stands for superoxide dismutase; CAT stands for catalase; GPX stands for glutathione peroxidase; APX stands for ascorbate peroxidase; AsA stands for ascorbic acid; MDHA stands for monodehydroascorbic acid; MDHAR stands for monodehydroascorbate reductase; DHA stands for didehydroascorbic acid; DHAR stands for dehydroascorbate reductase; GSH stands for glutathione; GSSG stands for oxidized glutathione; GR stands for glutathione reductase; NADPH stands for reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; NADP stands for nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.

通常情況下，一定濃度的Cd脅迫過程中植物抗氧化酶活性增加，而Cd一旦超過一定濃度，抗氧化酶活性則被抑制，且呈現(xiàn)濃度依賴性[18, 36-37]。研究發(fā)現(xiàn)水蓼(PolygonumhydropiperL.)[38]的SOD活性、水稻[39]的CAT活性隨Cd濃度增加呈先增后降的趨勢。究其原因，一方面可能是高濃度Cd存在時(shí)，與抗氧化酶的金屬結(jié)合位點(diǎn)競爭加劇，改變其空間結(jié)構(gòu)，使酶失活；另一方面，可能ROS的產(chǎn)生超過其清除能力，導(dǎo)致酶活下降。而大豆(GlycinemaxL.)[40]在高濃度Cd脅迫下，其SOD、CAT活性卻顯著提高，原因在于Cd耐受相關(guān)基因的高表達(dá)。白三葉草(TrifoliumrepensL.)[41]、橡木(QuercusroburL.)[42]植株細(xì)胞中，CAT活性隨Cd濃度升高均呈下降趨勢，其原因不僅是CAT相關(guān)基因的表達(dá)在轉(zhuǎn)錄水平上降低，也可能與過量的氧自由基抑制CAT活性有關(guān)。此外，同一種類不同性向的植株抗氧化酶活性也存在差異，如南方四季楊(Populusdeltoides×nigra)在Cd處理后，雌株SOD活性變化不顯著，而雄株SOD活性顯著下降。其原因可能是雄株需要消耗大量的SOD來清除氧自由基，也暗示Cd對雄株的毒害作用更嚴(yán)重[43]。

植物大量元素S的代謝活動(dòng)會(huì)受Cd脅迫的影響，而S的代謝產(chǎn)物之一GSH在植物應(yīng)對Cd脅迫防御過程中起著重要作用。一方面GSH可形成與Cd結(jié)合的植物螯合肽，維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡；另一方面，GSH可以通過AsA-GSH循環(huán)清除Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS。大麥[44]根中的GSH含量隨Cd濃度增加呈先增后減，且具有劑量和時(shí)間依賴性，其原因與抗氧化酶活性變化機(jī)制類似，即當(dāng)Cd含量超過其代謝強(qiáng)度時(shí)，GSH合成相關(guān)的酶活性喪失，GSH含量下降。苧麻(Bechmerianivea(L.) Gaud)[45]、柑橘(CitrussinensisL.)[46]在Cd脅迫后，其葉中的AsA-GSH途徑都被明顯激活，AsA及脫氫抗壞血酸(DHA)濃度增加，從而通過AsA-GSH循環(huán)降低Cd對細(xì)胞的毒害效應(yīng)。

2.2 對丙二醛和脯氨酸代謝的影響

Cd脅迫下，ROS作用于生物膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，氧化終產(chǎn)物之一為丙二醛(MDA)，MDA的積累會(huì)對細(xì)胞產(chǎn)生一定程度的毒害作用，同時(shí)其含量高低也反映了植物受脅迫的程度。隨Cd濃度的升高，不同小麥品種“平安8”和“百農(nóng)160”葉片的MDA濃度在拔節(jié)期和灌漿期均顯著上升[47]，與Amirjani[48]在小麥研究中的結(jié)論類似。Cd處理后的蠶豆(ViciafabaL.)幼苗根部[49]、土豆(SolanumtuberosumL.)塊莖[50]中MDA含量也顯著提高。脯氨酸(Pro)在細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)中起重要作用，如清除活性氧、保護(hù)膜結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)氧化還原平衡等。植物通過促進(jìn)合成并抑制降解體內(nèi)積累的Pro緩解逆境脅迫對植物的傷害[51]。番茄幼苗[52]、蘿卜(RaphanussativusL.)[53]和茶葉[54]中的Pro含量均隨Cd濃度增加而顯著上升(表4)。

2.3 對光合作用的影響

光合作用同化二氧化碳并合成有機(jī)物，是植物生長發(fā)育過程中物質(zhì)和能量的重要來源。光合作用主要在植物葉片細(xì)胞中的葉綠體中進(jìn)行，而葉綠體中組織精細(xì)且能量利用高效的捕光色素復(fù)合體和2個(gè)光反應(yīng)中心(PS Ⅱ和PS Ⅰ)等諸多結(jié)構(gòu)對重金屬極其敏感，任一單元受影響都會(huì)成為整個(gè)光合作用的限速步驟，并最終導(dǎo)致植物生物量降低和作物減量減產(chǎn)。

Cd對植物光合作用會(huì)造成間接與直接2個(gè)方面的影響。在間接影響方面：(1)Cd會(huì)顯著抑制根部Fe3+還原酶活性，使Fe2+轉(zhuǎn)化量降低，而Fe2+是絕大多數(shù)高等植物根系吸收鐵的主要形式，因此導(dǎo)致植物出現(xiàn)明顯的缺鐵癥[55]。缺鐵會(huì)影響葉綠素合成前體物質(zhì)——卟啉環(huán)的正常合成，最終導(dǎo)致光合色素含量降低。同時(shí)，類囊體膜基質(zhì)側(cè)PSⅠ中鐵硫蛋白也會(huì)因缺鐵導(dǎo)致NADPH合成受限，影響后續(xù)碳同化所需物質(zhì)的合成。(2)Cd能顯著抑制根部硝酸還原酶活性，導(dǎo)致植物氮素缺乏，進(jìn)而影響類囊體膜上相關(guān)光合蛋白合成[56]，尤其是顯著降低光反應(yīng)中心Ⅱ(PS Ⅱ)的D1蛋白(半衰期僅20～30 min)損傷修復(fù)的快速周轉(zhuǎn)速率，加劇植物在高光條件下因PS Ⅱ電子傳遞受阻導(dǎo)致的光抑制和光損傷[57]。(3)Cd脅迫下植物葉片氣孔導(dǎo)度也會(huì)顯著降低，造成葉綠體基質(zhì)中光合固碳底物CO2缺乏，降低整體光合效率[58-60]。

Cd對葉綠體直接影響與Cd濃度和脅迫持續(xù)時(shí)間有關(guān)。在高濃度和長時(shí)間Cd脅迫下，葉綠體會(huì)因此解體，類囊體破裂并產(chǎn)生數(shù)量與體積逐漸增長的質(zhì)體小球和淀粉粒，光合功能完全喪失[61]。在相對較低濃度和短期Cd脅迫下，葉綠體中光合電子傳遞鏈上各單元均會(huì)受到影響。本文以葉綠體基質(zhì)到類囊體膜上電子傳遞鏈順序綜述Cd對葉綠體光合作用的直接影響(圖3)。

(1)葉綠體基質(zhì)

葉綠體基質(zhì)側(cè)的碳同化過程首先受到Cd脅迫影響。Ahammed等[62]的研究表明，Cd首先破壞光合電子傳遞鏈下游的碳還原過程，再影響上游各光合電子傳遞單元，最終降低整個(gè)光合作用效率。其原因可能是碳還原位于葉綠體基質(zhì)中，Cd跨葉綠體膜后優(yōu)先影響基質(zhì)中碳還原過程相關(guān)酶與底物，隨后再逐漸影響類囊體膜上的光合構(gòu)件。Krupa等[63]的研究也表明，Cd脅迫下PSⅡ光化學(xué)效率降低可能與卡爾文循環(huán)(Calvin cycle)中碳還原過程對ATP和NADPH利用受限有關(guān)。

(2)類囊體膜

光反應(yīng)類囊體膜結(jié)構(gòu)因Cd脅迫而發(fā)生改變。Moussa和El-Gamal[64]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致類囊體膜垛疊程度降低，造成類囊體膨脹。類囊體膜上各主要光合單元，如PS Ⅱ、細(xì)胞色素復(fù)合體Cytb/f、PS Ⅰ和ATP合成酶相對位置因而受到影響，使得各單元之間的光合電子高效傳遞速率降低。

表4 Cd對高等植物MDA和Pro含量的影響Table 4 Effects of Cd on the content of MDA and Pro in higher plants

圖3 Cd對高等植物光合作用的影響注：綠色平箭頭表示抑制；紅色實(shí)線箭頭表示促進(jìn)；PSⅡ表示光系統(tǒng)Ⅱ；LHCⅡ表示捕光復(fù)合體Ⅱ；OEC表示光合放氧復(fù)合體；PQ表示質(zhì)體醌； Cytf表示細(xì)胞色素；PC表示質(zhì)體藍(lán)素；PSⅠ表示光系統(tǒng)Ⅰ；LHCⅠ表示捕光復(fù)合體Ⅰ；Fd表示鐵氧還蛋白；FNR表示NADP還原酶； ADP表示二磷酸腺苷；ATP表示腺嘌呤核苷三磷酸；(1)Cd對卡爾文循環(huán)的影響；(2)Cd對類囊體膜垛疊的影響；(3)ROS對光合色素的影響； (4)Cd對PSⅡ的影響；(5)Cd對PSⅠ的影響。Fig. 3 Effects of Cd on photosynthesis of higher plantsNote: The green flat arrow indicates inhibition; the red solid arrow indicates promotion; PSⅡ stands for photosystem Ⅱ; LHCⅡ stands for light-harvesting complex Ⅱ; OEC stands for photosynthetic oxygen-evolving complex; PQ stands for plastoquinone; Cytf stands for cytochrome; PC stands for plastocyanin; PSⅠ stands for photosystem Ⅰ; LHCⅠ stands for light-harvesting complex Ⅰ; Fd stands for ferredoxin; FNR stands for NADP reductase; ADP stands for adenosine diphosphate; ATP stands for adenosine triphosphate; (1) The influence of Cd on Calvin cycle; (2) The influence of Cd on thylakoid membrane stacking; (3) The influence of ROS on photosynthetic pigment; (4) The influence of Cd on PSⅡ; (5) The influence of Cd on PSⅠ.

(3)光合色素

類囊體膜上光合色素含量受Cd脅迫影響而降低，使植物葉片出現(xiàn)明顯的萎黃病。其主要有3個(gè)方面原因。①葉綠素合成代謝因Cd脅迫受阻[62]，如Cd會(huì)干擾還原酶蛋白上的硫代硫酸位點(diǎn)，抑制葉綠素生物合成相關(guān)酶活性[65]；②Cd脅迫下抗氧化酶如SOD和CAT等活性降低[4, 66]，造成葉綠體中ROS含量升高，直接破壞相關(guān)光合色素，甚至導(dǎo)致捕光色素復(fù)合體(LHCⅡ)三聚物結(jié)構(gòu)解體[67]；③Cd2+會(huì)與葉綠素分子中的Mg2+競爭活性位點(diǎn)，造成脫鎂葉綠素含量增加[68]。Cd脅迫下光合色素含量降低已被很多文獻(xiàn)證實(shí)，Kapoor等[69]的研究表明，0.6 mmolL-1Cd脅迫下，芥菜總?cè)~綠素含量由對照組26.75 mg·g-1降低至13.38 mg·g-1。其中葉綠素a(Chla)含量由16.78 mg·g-1降低至7.1 mg·g-1，而葉綠素b(Chlb)含量則由7.54 mg·g-1顯著降低至2.24 mg·g-1。An等[4]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)5 mg·kg-1Cd土培后，棉花葉片中Chla、Chlb和類胡蘿卜素含量分別降低了29%、30%和31%。崔振等[70]研究也發(fā)現(xiàn)檉柳和銀水牛果2種植物葉綠素合成受Cd脅迫抑制，其總?cè)~綠素、Chla和Chlb含量也隨Cd濃度增加而顯著降低。

(4)PSⅡ反應(yīng)中心

PSⅡ反應(yīng)中心活性也會(huì)因Cd脅迫而受到顯著抑制，并且其電子傳遞過程相對于PSⅠ更容易受到Cd脅迫影響[71]。其原因在于PSⅡ反應(yīng)中心復(fù)合物兩側(cè)的電子供體和受體都是Cd攻擊目標(biāo)，Cd脅迫使其電子傳遞速率受限，最終導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心失活[71-72]。如Cd2+會(huì)競爭PSⅡ電子供體側(cè)光合放氧復(fù)合體(OEC)中Mn4Ca簇上Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，造成光合放氧速率降低，底物H2O無法有效供應(yīng)PSⅡ高效運(yùn)轉(zhuǎn)所需電子[73]。而PSⅡ電子受體側(cè)醌受體QB也會(huì)因Cd脅迫，降低電子從QA到QB的速率[73]。同時(shí)，前述Cd脅迫下PSⅡ反應(yīng)中心D1蛋白快速損傷修復(fù)速率可能受限，PSⅡ反應(yīng)中心本身電子傳遞速率亦降低。以上原因?qū)е翪d脅迫下PSⅡ電子傳遞受阻，光化學(xué)效率顯著降低。張棟棟等[74]研究發(fā)現(xiàn)蒼耳葉片光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和電子傳遞速率(ETR)均隨Cd濃度升高而顯著降低，在刺莧中也發(fā)現(xiàn)類似趨勢[58]。PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞速率降低，造成植物在高光條件下吸收的光能不能有效以光化學(xué)淬滅形式耗散，被迫提高其非光學(xué)淬滅(NPQ)能力耗散過剩光能。Qu等[75]研究發(fā)現(xiàn)在Cd脅迫下玉米幼苗葉片NPQ顯著增加了58.9%，而另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)蘇里南維羅蔻木葉片經(jīng)60 mg·L-1Cd處理后，其NPQ值顯著增加了66.9%[76]。

(5)PSⅠ反應(yīng)中心

PS Ⅰ相關(guān)光合功能也會(huì)受Cd脅迫影響。盡管大部分情況下植物的PS Ⅱ相對較為敏感，但仍有少數(shù)植物被報(bào)道其PS Ⅰ相對更易受Cd脅迫影響[77]。與PS Ⅱ相似，Cd會(huì)顯著降低PS Ⅰ捕光色素復(fù)合體LHC Ⅰ中天線色素含量，使其光能捕獲效率降低[77]。同時(shí)，PS Ⅰ還原側(cè)電子供體也會(huì)因Cd脅迫而受抑制，造成PS Ⅰ整體光化學(xué)效率降低。Wodala等[78]的研究表明，Cd脅迫會(huì)降低PS Ⅰ光化學(xué)效率以及相關(guān)光系統(tǒng)間電子傳遞鏈中電子數(shù)量。此外，Cd脅迫下類囊體膜上產(chǎn)生的ROS也會(huì)直接攻擊PS Ⅰ上鐵氧還蛋白的Fe-S中心，降低類囊體基質(zhì)側(cè)NADPH產(chǎn)量[79]。

3 對細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響(Effects of cadmium on cell ultrastructure)

在低濃度Cd脅迫下，植物可通過細(xì)胞壁阻隔、細(xì)胞膜結(jié)合鈍化和液泡區(qū)隔化等方式抵御Cd的毒害[80]。但當(dāng)Cd濃度超過閾值時(shí)，就會(huì)對植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)造成損傷。研究表明，Cd處理會(huì)導(dǎo)致芹菜[81]、玉米[82]葉片細(xì)胞壁變形，鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)[83]葉片細(xì)胞質(zhì)膜破壞和細(xì)胞質(zhì)收縮造

成細(xì)胞內(nèi)空間減少，桃樹(AmygdaluspersicaL.)根尖細(xì)胞線粒體脊突凌亂、雙層膜消失[84]，以及金絲草(Pogonatherumcrinitum(Thunb.) Kunth)[85]、煙草(NicotianatabacumL.)[86]細(xì)胞葉綠體受損致使基質(zhì)外流，且具有劑量依賴性，隨著Cd濃度的升高，細(xì)胞受損程度和空泡化程度進(jìn)一步加劇，甚至造成線粒體、葉綠體和細(xì)胞核等細(xì)胞器皆破裂消失。此外，Cd脅迫還會(huì)引起蠶豆[49]、番茄[87]根細(xì)胞的染色體畸變，有絲分裂異常等(表5)。由此可見，Cd對植物細(xì)胞的毒害作用不只是破壞其單一的細(xì)胞器或膜結(jié)構(gòu)，而是對其膜結(jié)構(gòu)和非膜結(jié)構(gòu)都有不同程度的損害。且不同植物細(xì)胞對Cd的耐受程度存在差異，因而最終表現(xiàn)出的毒性癥狀也有所不同。

4 Cd對植物生物量和產(chǎn)量的影響(Effects of cadmium on plant biomass and yield)

4.1 對植物生物量的影響

土壤重金屬Cd造成植物細(xì)胞內(nèi)相關(guān)生理生化過程紊亂，如光合速率降低、營養(yǎng)吸收減少等，使可供植物正常生長的物質(zhì)和能量減少，導(dǎo)致植物生物量顯著降低。當(dāng)施加外源Cd時(shí)，小報(bào)春(PrimulaforbesiiFranch.)[88]、印度芥菜(Brassicajuncea)[89]生物量變化表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象，而小麥[90]、水稻[91]和草莓(Fragaria×ananassaDuch.)[92]等生物量均隨Cd濃度增大而顯著降低(表6)。不同植物對Cd的敏感程度存在差異，可能與植物體內(nèi)基因表達(dá)和內(nèi)源激素水平差異有關(guān)，但總體而言，Cd會(huì)導(dǎo)致植物生物量降低。

4.2 對植物產(chǎn)量的影響

一般情況下，低濃度Cd會(huì)刺激植物生長，具有一定的增產(chǎn)作用，但濃度過高會(huì)加劇植物受毒害程度，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。水稻在低濃度Cd時(shí)產(chǎn)量增加，較高濃度時(shí)產(chǎn)量下降[93-94]?？赡苁堑蜐舛菴d激活其逆境響應(yīng)作用，提高生理生化代謝活性并促進(jìn)植株生長。另外，小麥[90]、甘薯(Dioscoreaesculenta(Lour.) Burkill)[95]、草莓[92]產(chǎn)量隨著Cd濃度增加而減少。而油菜在30 mg·kg-1Cd濃度處理后，其產(chǎn)量幾乎不受影響，表明油菜對一定濃度Cd脅迫具有耐受性[96](表7)。

5 Cd對作物營養(yǎng)品質(zhì)的影響(Effects of cadmium on crop nutritional quality)

相較于生理生化影響，Cd脅迫對作物營養(yǎng)品質(zhì)影響的相關(guān)報(bào)道較少。作物營養(yǎng)品質(zhì)可表現(xiàn)為以下4個(gè)方面：(1)糧食作物籽粒中氨基酸和蛋白質(zhì)含量；(2)蔬菜、水果的碳水化合物含量；(3)油料作物的脂肪酸含量及含油量；(4)中藥有效成分含量[80]。

5.1 對糧食作物籽粒氨基酸和蛋白質(zhì)含量的影響

Cd污染土壤中生長的作物對氮素的吸收和同化效率受到影響，導(dǎo)致其體內(nèi)相關(guān)的氨基酸和蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化。作物的氨基酸含量，尤其是必需氨基酸賴氨酸(Lys)的含量，是評(píng)估作物營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。Cd處理后的玉米未成熟谷粒中，2種直接參與Lys生物合成的酶——天冬氨酸激酶(AK)和二氫二吡啶甲酸合酶(DHDPS)活性增加，Lys含量增多[97]。而在玉米成熟谷粒中，Cd處理組Lys含量沒有明顯變化，可能是由于AK對Lys反饋抑制的高敏感性抵消了AK和DHDPS兩者比活性的增加[97]。然而，Cd脅迫的小麥氨基酸含量降低，其中Lys尤為顯著[98]，可能是Cd脅迫抑制了小麥Lys合成相關(guān)的酶。蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸，Cd脅迫后氨基酸含量的變化也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)蛋白質(zhì)含量發(fā)生改變。小麥[99]、玉米[100]籽粒中蛋白質(zhì)含量隨Cd濃度的增加先升高后降低[99]，而甘薯[95]和蓮藕(NelumbonuciferaGaertn.)[101]中的蛋白質(zhì)含量隨Cd濃度增加呈顯著降低趨勢。

表5 Cd對高等植物超微結(jié)構(gòu)的影響Table 5 Effects of Cd on ultrastructure of higher plants

表6 Cd對高等植物生物量的影響Table 6 Effects of Cd on biomass of higher plants

表7 Cd對高等植物產(chǎn)量的影響Table 7 Effects of Cd on yield of higher plants

5.2 對蔬菜碳水化合物含量的影響

Cd脅迫會(huì)影響作物和果實(shí)中可溶性糖及淀粉含量，從而影響其口感和品質(zhì)[92]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下萵苣(LactucasativaL.)[102]、甘薯[95]中的葡萄糖和果糖含量呈“低促高抑”現(xiàn)象。萵苣[102]、馬鈴薯[103]的蔗糖含量隨Cd濃度升高均表現(xiàn)為顯著增加。萵苣葉片中的淀粉含量無明顯變化[102]，馬鈴薯根、莖和葉中的淀粉積累則受抑制[103]，而甘薯塊根中淀粉含量隨Cd濃度的增加呈先升后降的趨勢，但變化不顯著[95]。此外，Cd脅迫顯著降低了小麥籽粒中總淀粉和支鏈淀粉含量，且脅迫濃度越高，淀粉含量下降幅度越大，但其直鏈淀粉含量和直鏈/支鏈淀粉的比例不受影響[98]。此外，作物中淀粉崩解值小、消減值大是其食味性不良的表現(xiàn)，而高濃度Cd會(huì)降低淀粉譜(RVA)崩解值，增加其消減值，從而導(dǎo)致作物品質(zhì)下降[104]。

5.3 對油料作物脂肪酸含量與含油量的影響

作物中脂肪酸的組成和含量能夠體現(xiàn)作物的品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值?；ㄉ椭舅嶂械挠退?亞油酸(O/L)比值是花生耐儲(chǔ)存的指標(biāo)，其較高的比值可以延長花生的儲(chǔ)存時(shí)間，使其不易變質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫顯著增加了豫花15和XB023這2個(gè)花生品種亞油酸含量，降低其O/L值，導(dǎo)致其可儲(chǔ)存時(shí)間降低[105]。棕櫚油酸是一種具有重要營養(yǎng)和醫(yī)藥價(jià)值的單不飽和脂肪酸，但其在油料作物中的含量極低，而棉籽油中含有的大量棕櫚酸是合成該物質(zhì)的前體。隨Cd處理濃度的升高，棉花(AnemonevitifoliaBuch.)的棉籽油中棕櫚酸含量顯著降低[106]。除了脂肪酸含量的變化，一些油料作物的含油量也會(huì)受影響，如玉米[100]、花生[107]籽粒中的脂肪含量隨Cd濃度的升高呈先升高后降低的趨勢，而Cd處理后的橄欖果實(shí)的油含量則顯著降低[108]。由此可見，Cd對不同作物的影響機(jī)制有所差別，但整體而言，Cd脅迫都會(huì)導(dǎo)致作物品質(zhì)下降。

5.4 對中草藥品質(zhì)的影響

土壤重金屬Cd污染一方面會(huì)導(dǎo)致部分中藥材中Cd含量超標(biāo)，影響藥材的質(zhì)量與藥效，并且服用后會(huì)導(dǎo)致Cd在人體積累，而半衰期長達(dá)10～30 a的Cd會(huì)對人體造成持續(xù)性危害。以我國國家食品重金屬允許量標(biāo)準(zhǔn)(Cd<0.2 mg·kg-1)為參考，雷濘菲等[109]測定了常用6種中草藥中的重金屬Cd含量，發(fā)現(xiàn)黃芪(Astragalusmembranaeus)超標(biāo)57%，其次是板藍(lán)根(IsatistinctoriaL.)和地黃(Rehmanniaglutinosa(Gaetn.) Libosch.)，分別超標(biāo)26.5%和17%。而丹參(SalviamiltiorrhizaBge.)、紅花(CarthamustinctoriusL.)中的Cd含量超標(biāo)更甚，在Cd含量25～100 mg·kg-1的土壤條件下，丹參根系和葉片中Cd含量分別為8.83 mg·kg-1和7.76 mg·kg-1[110]，紅花芽中Cd含量高達(dá)148.6～277.2 mg·kg-1[111]。

另一方面，Cd會(huì)干擾中藥材細(xì)胞中次生代謝產(chǎn)物的積累，進(jìn)而影響到中藥材的藥效與品質(zhì)。皂苷是三七(Panaxnotoginseng(Burkill) F. H. Chen ex C. H.)主要活性成分，也是人參屬植物中廣泛存在的重要次生代謝產(chǎn)物。不同濃度Cd處理對皂苷單體及總皂苷含量均有不同程度的影響，其總體趨勢表現(xiàn)為顯著抑制作用[112]。經(jīng)Cd處理后的野菊花(ChrysanthemumindicumL.)中活性成分蒙花苷、總黃酮含量均顯著下降，表明Cd污染會(huì)降低野菊花藥材品質(zhì)[113]。根莖是川芎(LigusticumchuanxiongHort.)主要的藥用部位，其藥用成分主要包括阿魏酸、川芎嗪和藁本內(nèi)酯等[114]。Cd處理顯著降低了川芎根莖中不同次生代謝產(chǎn)物的含量，其中阿魏酸、川芎嗪和藁本內(nèi)酯的含量分別降低了36%、25.85%和10.60%[114]。此外，Cd脅迫下丹參(SalviamiltiorrhizaBunge)根系脂溶性丹參酮類化合物二氫丹參酮、丹參酮和隱丹參酮含量均顯著降低，且葉片中水溶性酚酸類化合物合成關(guān)鍵酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)和酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(TAT)的活性顯著降低[110]。因此重金屬Cd會(huì)降低藥材的有效藥用成分積累，使其藥用品質(zhì)下降。然而，有研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)濃度Cd能夠促進(jìn)黃花蒿(ArtemisiaannuaL.)青蒿素的合成，其原因在于Cd能夠激活黃花蒿MAPK基因，而MAPK級(jí)聯(lián)途徑可能在Cd影響黃花蒿次生代謝產(chǎn)物合成中承擔(dān)著將細(xì)胞外Cd信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)的作用，從而使青蒿素合成途徑關(guān)鍵酶基因表達(dá)量上調(diào)以響應(yīng)Cd刺激[115]。

6 展望(Prospects)

目前，有關(guān)土壤重金屬Cd對植物生長發(fā)育、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)、生理生化代謝以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)等方面的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，但仍有大量的科學(xué)問題有待深入研究探討，主要有以下4個(gè)層面的切入點(diǎn)。

(1)微觀層面，植物生長發(fā)育、生理生化響應(yīng)和細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化等都與其基因表達(dá)水平有較大的相關(guān)性。深入研究重金屬Cd脅迫下相關(guān)基因表達(dá)，并采用以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等不同層次組學(xué)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)生物學(xué)研究方法，建立從基因到蛋白質(zhì)最終到如何影響植物生理生化和代謝響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，將有助于全面深入了解重金屬Cd對植物的毒害效應(yīng)及其分子機(jī)理。

(2)宏觀層面，目前的研究多聚焦于重金屬Cd對單種植物的毒害效應(yīng)，而其對種群、群落甚至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)水平效應(yīng)的研究相對較少。自然條件下，不同種類的植物在某生態(tài)系統(tǒng)下共存，Cd脅迫下超累積植物的存在是否能影響Cd對周圍植物毒害效應(yīng)，優(yōu)勢種群和劣勢種群在整個(gè)群落中如何演替，以及某區(qū)域生態(tài)功能是否因Cd脅迫而受影響及其影響程度等都需要進(jìn)一步研究。

(3)時(shí)間層面，現(xiàn)有的Cd脅迫對植物毒害效應(yīng)的研究多集中于短期實(shí)驗(yàn)，而長時(shí)間尺度下毒害作用是否會(huì)逐代積累的相關(guān)研究較少。此外，植物在長期進(jìn)化過程中可能會(huì)對Cd脅迫進(jìn)化出一系列防御機(jī)制，植物是否能逐代進(jìn)化出耗能更少、效率更高的防御機(jī)制仍有待深入研究。

(4)空間層面，我國土壤類型繁多，不同區(qū)域的土壤成土過程受成土母巖、地形和氣候等因素影響，使其土壤重金屬背景值差異較大，并且人為污染會(huì)加劇不同區(qū)域中各重金屬相對含量。不同區(qū)域土壤中其他重金屬如鉛(Pb)、汞(Hg)和鉻(Cr)等含量有較大差異，是否對Cd的毒害作用產(chǎn)生不同程度的協(xié)同或拮抗效應(yīng)也需要進(jìn)一步深入研究。此外，不同區(qū)域土壤中微生物群落組成有較大差異，土壤微生物與植物根際相互作用對緩解Cd對植物毒害作用的程度也存在差異。因此，研究不同區(qū)域Cd脅迫下，土壤微生物與植物根際微域相互作用關(guān)系，將有助于我們更全面系統(tǒng)地了解Cd對植物的毒害效應(yīng)。