植物螯合肽及其在抗重金属胁迫中的作用

植物螯合肽(PCs)广泛存在于植物体中,与植物抗重金属胁迫关系密切。植物螯合肽及其复合物是一类富含半胱氨酸的低分子量化合物。现有研究证明,PCS由谷胱甘肽(GSH)为底物的酶促反应合成,其合成受相关基因的调控,从模式植物拟南芥的突变体中已分离到与PCS合成有关的几个基因。植物螯合肽首先与重金属离子结合形成低分子量(LMW)复合物,以此形态经由细胞质进入液泡后,再与一个分子的植物螯合肽结合,形成对植物组织毒性较小的高分子量(HMW)复合物,从而达到缓解重金属对植物的危害作用。就植物螯合肽及其复合物的结构、生物合成、基因调控及重金属解毒机理等进行了综述,并对今后的研究方向提出了一些看法。     

植物抗旱和耐重金属基因工程研究进展

干旱和重金属污染严重影响植物的生长发育.植物耐逆相关基因的克隆和功能鉴定研究,为通过基因工程途径提高植物的抗逆性奠定了理论基础.水分亏缺、高盐、低温和重金属胁迫都能诱导LEA(late embryogenesis abundant protein)基因的表达.转基因研究表明,LEA蛋白具有抗旱保护作用、离子结合特性以及抗氧化活性;水孔蛋白存在于细胞膜和液泡膜上,在细胞乃至整个植物体水分吸收和运输过程中发挥重要作用.干旱和盐胁迫促进水孔蛋白基因转录物的积累.过量表达水孔蛋白可增强水分吸收和运输,提高植物的抗旱能力.金属转运蛋白参与重金属离子的吸收、运输和累积等过程.这些蛋白基因在改良草坪草植物的抗旱节水和耐重金属能力等方面具有潜在的应用价值.     

超富集植物遏蓝菜对重金属吸收、运输和累积的机制

遏蓝菜Thlaspi caerulescens可以在其地上部累积大量重金属如锌、镉等,是公认的超富集植物。由于该植物生物量小,不宜直接用于重金属污染的土壤植物修复,而被广泛作为一种模式植物来进行重金属富集机制研究。遏蓝菜对重金属离子的累积大致经过螯合剂解毒、地上部长距离运输以及在液泡中的储存等生理过程。已经发现的植物体内的金属螯合剂——有机酸、氨基酸、植物络合素(PCs)、金属硫蛋白(MT)和尼克烟酰胺NA等,区室化以及长距离运输相关的转运蛋白——ZIP(ZRT/IRTlike protein)、CDF(Cation diffusion facilitator)、Nramp(Natural resistance and macrophage protein)和HMA(Heavy metal ATPase)等家族,以上各种基因、多肽与蛋白等共同参与了植物对金属累积与耐受过程并发挥各自重要的作用。以下主要介绍了遏蓝菜重金属超富集相关的基因、多肽和蛋白,以及它们在重金属螯合作用和运输过程中的功能。     

高等植物重金属耐性与超积累特性及其分子机理研究

由于重金属污染日益严重, 重金属在土壤_植物系统中的行为引起了人们的高度重视。高等植物对重金 属的耐性与积累性, 已经成为污染生态学研究的热点。近年来, 由于分子生态学等学科的发展, 有关植物对重金属的解毒和耐性机理、重金属离子富集机制的研究取得了较大进展。高等植物对重金属的耐性和积累在种间和基因型之间存在很大差异。根系是重金 属等土壤污染物进入植物的门户。根系分泌物改变重金属的生物有效性和毒性, 并在植物吸收重金属的过程中发挥重要作用。土壤中的大部分重金属离子都是通过金属转运蛋白进入根细胞, 并在植物体内进一步转运至液泡贮存。在重金属胁迫条件下植物螯合肽 (PC) 的合成是植物对胁迫的一种适应性反应。耐性基因型合成较多的PC, 谷胱甘肽 (GSH) 是合成PC的前体, 重金属与PC螯合并转移至液泡中贮存, 从而达到解毒效果。金属硫蛋白 (MTs) 与PC一样, 可以与重金属离子螯合, 从而降低重金属离子的毒性。该文从分子水平上论述了根系分泌物、金属转运蛋白、MTs、PC、GSH在重金属耐性及超积累性中的作用, 评述了近 10年来这方面的研究进展, 并在此基础上提出存在的问题和今后研究的重点。     

H_2S信号在植物抵御重金属胁迫过程中的作用

工业"三废"的无节制排放、污水灌溉以及农药化肥等的不合理使用导致土壤重金属含量急剧增加,耕地重金属污染日益严重。研究表明,气体信号分子硫化氢(hydrogen sulfide,H_2S)能够抑制重金属的吸收和转运,减少重金属离子在植物地上部分的积累,提高植物对重金属胁迫的抗性。该文综述了H_2S在植物抵御重金属胁迫过程中参与调控的生理过程及其作用的信号机制,为培育高产安全的作物品种提供一些新思路,也为最大程度地降低重金属污染对我国农业生产造成的损失提供科学依据。     

植物络合素和植物络合素合酶的研究

植物络合素（Phytochelatins,PCs)是由于重金属离子诱导而在植物体内合成的一类小分子多肽,其结构式为（γ-Glu-Cys)n-Gly,(n=2-11);PCs能够螯合重金属,从而起到对对重金属解毒的作用,PCs并非基因的直接产物,而是由植物络合素合酶（phytochelatin syn-thase,PCS),以GSH为底物催化合成的;植物络合素合酶基因的表达是组成型的,重金属离子能够活化PCS,诱导PCs的合成。1989年,人们首次报道得到了部分纯化的PCS,10年后,3个研究小组分别于1999年同时克隆和鉴定了编码PCS的基因,这些结果不仅对于研究PCs的合成途径和模型的建立及植物抗重金属机制的探讨有重要意义,而且在利用基因工程改良植物抗重金属能力和净化环境污染方面有应用前景。     

植物螯合肽及其在重金属耐性中的作用

综述植物螯合肽的生物合成及其在重金属耐性中的作用．有毒重金属在土壤中的积累不仅影响作物的生长和产量形成,而且严重威胁农产品的安全性．植物对重金属的耐性和积累在种间和基因型之间存在着很大的差异,在重金属胁迫条件下植物螯合肽(PC)的合成是植物对胁迫的一种适应性反应,耐性基因型合成较多的PC谷胱苷肽是合成PC的前体,PC可与重金属螯合,并进一步转运至液泡贮存,使细胞质的重金属浓度降低,从而达到解毒效果．重金属诱导植物合成PC的遗传机理和生化途径有赖于分子生物学的深入研究,cD-敏感型拟南芥突变体Cad1-1(缺失GSH)和Cad2-1(缺失PC合成诱导酶)的分离及相关研究,佐证了PC在Cd-解毒中起关键作用．对PC在重金属污染土壤或水体的植物修复和农作物安全生产中的意义进行了讨论．     

产铁载体根际菌在植物修复重金属污染土壤中的应用潜力

产铁载体根际菌(siderophore-producing rhizobacteria,SPR)是一类植物根际促生菌,在植物修复重金属污染土壤中可起重要的辅助作用.本文在综合分析国内外相关研究进展的基础上,阐述了SPR缓解重金属植物胁迫毒害的功能及其提高土壤重金属生物活性的机理,并指出SPR在促进重金属污染土壤中植物的生长、增强植物累积重金属的过程等方面具有较好的应用潜力.对当前研究中存在的SPR提高或降低植物累积重金属的矛盾现象也进行了分析.针对当前研究存在的不足,提出今后应深入研究SPR与植物(尤其是重金属超累积植物)之间的相互作用机理,进一步明确影响铁载体螯合、活化土壤重金属的关键因素,综合考虑铁载体对土壤重金属生物活性和对植物吸收重金属的影响,探索在重金属污染土壤中提高SPR定殖能力的强化方法.     

植物苯丙烷代谢及其对重金属胁迫的响应研究进展

苯丙烷代谢途径是植物中最重要的次生代谢途径之一,在植物抵抗重金属胁迫中直接或间接发挥了抗氧化作用,并能够提高植物对重金属离子的吸收与胁迫耐性。本文就苯丙烷代谢途径核心反应与关键酶系进行了总结,同时分析了木质素、类黄酮及原花青素等关键代谢产物的生物合成过程及相关机制,并以此为基础探讨了苯丙烷代谢途径关键产物响应重金属胁迫的相关机制。此外,结合当前研究现状,就苯丙烷代谢参与植物防御重金属胁迫的相关研究提出展望,以期为重金属污染环境的植物修复提供理论依据。     

铜、锌、银对结球生菜抗氧化活性的影响

本实验研究了结球生菜(Lactuca sativa var.capitata L.)在重金属铜(Cu)、锌(Zn)及银(Ag)胁迫条件下的抗氧化活性,研究结果能够为结球生菜的合理栽培和食用提供理论依据。将在含有不同浓度的Cu、Zn、Ag离子培养基上培养的结球生菜整株预冷研磨,在4℃条件下离心制备粗酶液,用紫外分光度计法测得不同培养时间和不同重金属胁迫下的过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量并进行分析。结果表明:Cu、Zn、Ag对结球生菜的POD活性,先促进后抑制,Cu和Ag达到最高的时间都是6 d,而Zn则到8 d。Cu对CAT活性的影响是先促进,第6天达到最高值后再下降,而Zn和Ag的影响不明显。高浓度Cu离子的存在使得结球生菜体内的MDA含量增加达到最高后下降;Zn作用6 d以后MDA含量才开始升高,到第8天达到最高值后下降;Ag作用10 d后体内MDA含量会高于对照组。实验说明不同重金属对植物的抗氧化作用的影响不同,植物具有自我保护作用,低浓度重金属胁迫能激活植物体内的抗氧化活性,植物进行自我修复,减少由于重金属胁迫所带来的氧化损伤,在一定程度上还能促进植物的生长;当重金属的浓度达到较高水平或作用时间较长时,植物体依然会受到毒害作用,出现发黄、发软甚至是枯萎的现象。     

植物重金属转运蛋白P_(1B)-ATPase结构和功能研究进展

植物调节体内重金属的累积量以维持自身生存,其中,金属阳离子转运蛋白发挥了关键作用。P1B-ATPase是在生物中广泛存在的P-ATPase中的一个亚族,也是P-ATPase多个亚族中唯一参与重金属稳态的转运蛋白。拟南芥中共发现8个P1B-ATPase。研究表明,P1B-ATPase在植物体内具有维持金属的稳态、转运以及金属解毒的功能;与金属离子在根部区域的活化、吸收、地上部分的运输、贮存,以及植物对重金属的耐受性均相关。以下综述了P1B-ATPase的进化分类、结构特征以及功能方面的最新研究进展,并展望了其在植物修复领域的应用前景。     

植物对重金属耐性的分子生态机理

植物适应重金属元素胁迫的机制包括阻止和控制重金属的吸收、体内螯合解毒、体内区室化分隔以及代谢平衡等。近年来,随着分子生物学技术在生态学研究中的深入应用,控制这些过程的分子生态机理逐渐被揭示出来。菌根、根系分泌物以及细胞膜是控制重金属进入植物根系细胞的主要生理单元。外生菌根能显著提高寄主植物的重金属耐性,根系分泌物通过改变根际pH、改变金属物质的氧化还原状态和形成络合物等机理减少植物对重金属的吸收。目前,控制菌根和根系分泌物重金属抗性的分子生态机理还不清楚。但细胞膜跨膜转运器已得到深入研究,相关金属离子转运器被鉴定和分离,一些控制基因如铁锌控制运转相关蛋白(ZIP)类、自然抵抗相关巨噬细胞蛋白(Nramp)类、P_1B-type ATPase类基因已被发现和克隆。金属硫蛋白(MTs)、植物螯合素(PCs)、有机酸及氨基酸等是植物体内主要的螯合物质,它们通过螯合作用固定金属离子,降低其生物毒性或改变其移动性。与MTs合成相关的MT-like基因已经被克隆,PCs合成必需的植物螯合素合酶(PCS), 即γ-Glu-Cys二肽转肽酶(γ-ECS) 的编码基因已经被克隆,控制麦根酸合成的氨基酸尼克烟酰胺(NA)在重金属耐性中的作用和分子机理也被揭示出来。ATP 结合转运器(ABC)和阳离子扩散促进器(CDF) 是植物体内两种主要膜转运器,通过它们和其它跨膜方式,重金属被分隔贮藏于液泡内。控制这些蛋白转运器合成的基因也已经被克隆,在植物中的表达证实其与重金属的体内运输和平衡有关。热休克蛋白(HSP)等蛋白类物质的产生是一种重要的体内平衡机制,其分子机理有待进一步研究。重金属耐性植物在这些环节产生了相关响应基因或功能蛋白质,分子克隆和转基因技术又使它们在污染治理上得到了初步的应用。     

Research Advances on the Mechanisms of Heavy Metal Tolerance in Plants

Heavy metals impact on the cytoplasmic function in a number of different ways, principally by their binding to protein sulflhdryl groups, by producing a deficiency of essential ions and, eventually, by substituting the essemial ions. Other modes of toxicity are possible, including disruption of cell transport processes and oxidative damage by free radicals generated by metal redox cycling. Plants have developed a variety of biochemical defense strategies to prevent heavy metal poisoning. The possible defense mechanism in plant may involve: metal binding to cell walls, avoidance of uptake these toxic metal ions, reduction of heavy metal transport across the cell membrane, active efflux, compartmentalization and metal chelation. Phytochelatins that can tightly bind and sequester metals may play an important role in the accumulation of heavy metals and preventing them from entering the cell metabolic pathway, the rates of high molecular weight (HMW) metal phytochelatin complexes (Cd-Sa-complex) formation may be an important determinant of the plant tolerance. In addition, plants possess several antioxidant defense systems to protect themselves from the oxidative stress by heavy metals.     

A Combined Zinc/Cadmium Sensor and Zinc/Cadmium Export Regulator in a Heavy Metal Pump

Heavy metal pumps (P1B-ATPases) are important for cellular heavy metal homeostasis. AtHMA4, an Arabidopsis thaliana heavy metal pump of importance for plant Zn²⁺ nutrition, has an extended C-terminal domain containing 13 cysteine pairs and a terminal stretch of 11 histidines. Using a novel size-exclusion chromatography, inductively coupled plasma mass spectrometry approach we report that the C-terminal domain of AtHMA4 is a high affinity Zn²⁺ and Cd²⁺ chelator with capacity to bind 10 Zn²⁺ ions per C terminus. When AtHMA4 is expressed in a Zn²⁺-sensitive zrc1 cot1 yeast strain, sequential removal of the histidine stretch and the cysteine pairs confers a gradual increase in Zn²⁺ and Cd²⁺ tolerance and lowered Zn²⁺ and Cd²⁺ content of transformed yeast cells. We conclude that the C-terminal domain of AtHMA4 serves a dual role as Zn²⁺ and Cd²⁺ chelator (sensor) and as a regulator of the efficiency of Zn²⁺ and Cd²⁺ export. The identification of a post-translational handle on Zn²⁺ and Cd²⁺ transport efficiency opens new perspectives for regulation of Zn²⁺ nutrition and tolerance in eukaryotes.     

植物耐重金属机理研究进展

由于工业“三废”和机动车尾气的排放、污水灌溉及农药、除草剂和化肥的使用,严重地污染了土壤、水质和大气,其中土壤中的重金属（Ｈｇ、Ｃｄ、Ａｓ、Ｃｕ和Ａｌ）污染更为严重［１］。重金属在植物根、茎、叶及籽粒中的大量累积,不仅严重地影响植物的生长和发育［１～...     

Phytochelatins and heavy metal tolerance

The induction and heavy metal binding properties of phytochelatins in heavy metal tolerant (Silene vulgaris) and sensitive (tomato) cell cultures, in water cultures of these plants and in Silene vulgaris grown on a medieval copper mining dump were investigated. Application of heavy metals to cell suspension cultures and whole plants of Silene vulgaris and tomato induces the formation of heavy metal–phytochelatin-complexes with Cu and Cd and the binding of Zn and Pb to lower molecular weight substances. The binding of heavy metal ions to phytochelatins seems to play only a transient role in the heavy metal detoxification, because the Cd- and Cu-complexes disappear in the roots of water cultures of Silene vulgaris between 7 and 14 days after heavy metal exposition. Free heavy metal ions were not detectable in the extracts of all investigated plants and cell cultures. Silene vulgaris plants grown under natural conditions on a mining dump synthesize low molecular weight heavy metal binding compounds only and show no complexation of heavy metal ions to phytochelatins. The induction of phytochelatins is a general answer of higher plants to heavy metal exposition, but only some of the heavy metal ions are able to form stable complexes with phytochelatins. The investigation of tolerant plants from the copper mining dump shows that phytochelatins are not responsible for the development of the heavy metal tolerant phenotypes.     

Enhancing phytoremediative ability of Pisum sativum by EDTA application

The aim of our research was to demonstrate how the presence of EDTA affects resistance of pea plants to Pb and Pb-EDTA presence, and to show the effectivity of lead ions accumulation and translocation. It was determined that EDTA not only increased the amount of Pb taken up by plants but also Pb ion transport through the xylem and metal translocation from roots to stems and leaves. It can be seen in the presented research results that addition of the chelator with Pb limited metal phytotoxicity. We also demonstrated a significant effect of EDTA not only on Pb accumulation and metal transport to the aboveground parts but also on the profile and amount of thiol compounds: glutathione (GSH), homoglutathione (hGSH) or phytochelatins (PCs), synthesized by the plants. We observed a significant effect of the synthetic chelator on increasing the level of Pb accumulation in roots of plants treated with Pb including EDTA (0.5 and 1 mM). Pisum sativum plants treated only with 1 mM Pb(NO3)2 accumulated over 50 mg Pb x g(-1) dry wt during 4 days of cultivation. Whereas in roots of pea plants exposed to Pb+0.5 mM EDTA 35% more Pb was observed. When 1 mM EDTA was applied roots of pea accumulated over 67% more metal. The presence of EDTA also increased metal uptake and transport to the aboveground parts. In pea plants treated only with 1 mM lead nitrate less than 3 mg Pb x g(-1) dry wt was transported, whereas in P. sativum treated with Pb-EDTA doubled amount of Pb was observed in stems and leaves.     

植物重金属转运蛋白研究进展

土壤中的有毒重金属不仅对植物有害,也可通过食物链危害人类和动物的健康.重金属转运蛋白在植物吸收、抵抗重金属的复杂机制中起着关键作用.植物重金属转运蛋白分为吸收蛋白和排出蛋白,其中,吸收蛋白转运必需重金属进入细胞,同时也会因为必需重金属的缺乏或离子之间的竞争而运载有毒重金属;排出蛋白是一类解毒蛋白,可将过量的或有毒的重金属逆向转运出细胞,或区室化于液泡中.目前,细胞内多种重金属转运蛋白基因的转录水平与重金属离子积累之间的联系已被揭示,并分离克隆出诸多相关蛋白家族成员.本文综述了近年来发现并鉴定的主要重金属转运蛋白的金属亲和性、器官表达特异性及细胞内定位等的研究进展.     

A long way ahead: understanding and engineering plant metal accumulation

Some plants can hyperaccumulate metal ions that are toxic to virtually all other organisms at low dosages. This trait could be used to clean up metal-contaminated soils. Moreover, the accumulation of heavy metals by plants determines both the micronutrient content and the toxic metal content of our food. Complex interactions of transport and chelating activities control the rates of metal uptake and storage. In recent years, several key steps have been identified at the molecular level, enabling us to initiate transgenic approaches to engineer the transition metal content of plants.