土壤重金属污染引发了一系列严峻的环境问题.其中,镉(Cd)是生物毒性最强的重金属元素之一.活性氧(ROS)过量积累引起的氧化胁迫,是Cd毒害植物的主要原因之一.本文围绕Cd胁迫引起的ROS积累及清除过程,重点阐述介导上述过程的一些信号调控物质包括一氧化氮(NO)、钙(Ca)、植物激素如生长素(IAA)和脱落酸(ABA)等及有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPKs)的变化及其在缓解Cd诱导的氧化胁迫中的作用,以期为今后植物抗Cd胁迫生理生化机制的研究提供一定的理论依据.
Contamination of heavy metal in soil causes several severe environmental problems. Cadmium is one of the most toxic metals to organisms. In plants, Cd toxicity often results in overaccumulation of reactive oxygen species (ROS), which causes oxidative damage to the plant organs. In this review, we discussed the processes of how Cd stress causes overaccumulation of ROS in plant and how plant recovers from the Cdinduced oxdative stress. We especially focused on the roles of signal, including nitric oxide (NO), calcium (Ca), plant hormones (e.g. auxin and abscisic acid) and mitogenactivated protein kinases (MAPKs), in above two processes. Our review may provide theoretical basis for future research on the mechanism of plant tolerating Cd stress.
全 文 :镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号
调控机制的研究进展
张然然 张 鹏 都韶婷∗
(浙江工商大学环境科学与工程学院, 杭州 310018)
摘 要 土壤重金属污染引发了一系列严峻的环境问题.其中,镉(Cd)是生物毒性最强的重
金属元素之一.活性氧(ROS)过量积累引起的氧化胁迫,是 Cd毒害植物的主要原因之一.本文
围绕 Cd胁迫引起的 ROS积累及清除过程,重点阐述介导上述过程的一些信号调控物质包括
一氧化氮(NO)、钙(Ca)、植物激素如生长素( IAA)和脱落酸(ABA)等及有丝分裂原活化蛋白
激酶(MAPKs)的变化及其在缓解 Cd 诱导的氧化胁迫中的作用,以期为今后植物抗 Cd 胁迫
生理生化机制的研究提供一定的理论依据.
关键词 Cd胁迫; 活性氧; NO; Ca; 植物激素
Oxidative stress⁃related signals and their regulation under Cd stress: A review. ZHANG Ran⁃
ran, ZHANG Peng, DU Shao⁃ting∗ (College of Environmental Science and Engineering, Zhejiang
Gongshang University, Hangzhou 310018, China) .
Abstract: Contamination of heavy metal in soil causes several severe environmental problems. Cad⁃
mium is one of the most toxic metals to organisms. In plants, Cd toxicity often results in over⁃accu⁃
mulation of reactive oxygen species (ROS), which causes oxidative damage to the plant organs. In
this review, we discussed the processes of how Cd stress causes over⁃accumulation of ROS in plant
and how plant recovers from the Cd⁃induced oxdative stress. We especially focused on the roles of
signal, including nitric oxide (NO), calcium (Ca), plant hormones ( e. g. auxin and abscisic
acid) and mitogen⁃activated protein kinases (MAPKs), in above two processes. Our review may
provide theoretical basis for future research on the mechanism of plant tolerating Cd stress.
Key words: cadmium stress; ROS; NO; Ca; plant hormone.
本文由浙江省自然科学基金项目(LY14C130001,R13C130001)和浙
江省教育厅项目(Y201432146)资助 This work was supported by the
Zhejiang Province Natural Science Foundation ( LY14C130001,
R13C130001) and the Education Department of Zhejiang Province
(Y201432146) .
2015⁃06⁃19 Received, 2015⁃12⁃17 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: dushaoting@ zjgsu.edu.cn
自 20世纪初发现 Cd以来,Cd被广泛应用于电
镀工业、化工业、电子业和核工业等领域,相当数量
的 Cd通过废气、废水和废渣排入环境[1] .2014 年我
国环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤
污染状况调查公报》 [2]显示,我国耕地 Cd 污染物点
位超标率已达 7.0%.近 10 年来的文献资料也表明
我国耕地 Cd污染形势严峻[3] .环境介质中一定浓度
的 Cd(μmol·L-1或 mg·kg-1数量级)即可快速作用
于植物细胞内的氧化还原系统[4],诱导活性氧
(ROS)过量积累,使植物体内抗氧化系统紊乱,引发
氧化胁迫损伤(如膜脂过氧化、蛋白质氧化、酶抑制
和核酸破坏等).ROS过量积累甚至可引起细胞程序
性死亡(PCD).因此,Cd胁迫诱导的 ROS过量积累,
成为 Cd毒害植物的主要原因之一.为应对 Cd胁迫,
植物细胞可通过一些信号物质调动适当的生理生化
反应,以清除 ROS,提高植物的耐受性.本文将围绕
Cd胁迫引起的 ROS积累及清除过程[5-9],重点阐述
该过程中一些信号调控物质包括一氧化氮
(NO) [10-11]、钙 ( Ca2+ ) [12-13]和植物激素如生长素
(IAA) [14]和脱落酸(ABA) [7]等及有丝分裂原活化
蛋白激酶(MAPKs) [15]的变化,及其在缓解 Cd 诱导
的氧化胁迫中的作用,以期为今后植物 Cd 胁迫生
理生化机制的研究提供参考.
应 用 生 态 学 报 2016年 3月 第 27卷 第 3期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2016, 27(3): 981-992 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201603.002
1 Cd胁迫下 ROS的积累及清除
1 1 Cd胁迫引起 ROS积累
ROS包括单线态氧( 1O2)、超氧阴离子(O
-·
2 )、
羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)及氢过氧自
由基(HO -·2 )等[16] .近年来有关 Cd 胁迫引起 ROS 积
累的研究中,主要围绕 H2O2、O
-·
2 和·OH 展开[7,17] .
笔者对近 10年有关 Cd 胁迫引起 ROS 积累及相关
成果进行了归纳,详见表 1.尽管处理浓度(30~5000
μmol·L-1)和处理时间(30 min~15 d)有所不同,但
Cd胁迫均引起如豌豆(Pisum sativum)、水稻(Oryza
sativa)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)等多种植物体
内 ROS的积累[18] .
1 2 ROS的清除
为应对 Cd胁迫诱导的 ROS 积累,植物在长期
进化过程中形成一套完善的防御系统以维持细胞内
氧化还原状态的平衡.研究发现,ROS 的清除主要包
括非酶促和酶促两种机制.其中,非酶促清除机制主
要依赖于抗坏血酸(ASC)、谷胱甘肽(GSH)、类黄酮
和生物碱等还原性物质[28];酶促清除机制则依赖于
超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化
物酶(POX)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘
肽过氧化物酶(GPX)等[29] .Cd胁迫时,SOD先将 Cd
胁迫下由 NADPH向氧分子转移电子生成的 O -·2 歧
化为 H2O2,然后再由 APX、GPX、POX 和 CAT 等直
接催化 H2O2 生成 O2 和 H2O 来控制不同亚细胞中
ROS 的积累, 以应对 Cd 胁迫引起的氧化损
伤[5,22,25] .在不同植物种类如拟南芥[22]、豌豆[6]、油
菜 ( Brassica juncea ) [26]、金银花 ( Lonicera japoni⁃
ca) [30]中均发现 Cd 胁迫下一些抗氧化酶的活性增
加.也有研究发现,Cd 胁迫下植株内一些抗氧化酶
活性降低[31] .引起上述差异的原因,可能与 Cd 处理
时间、处理浓度及植物品种均有较大关联.总之,Cd
胁迫下 ROS的清除过程对于提高植物抗 Cd 胁迫十
分重要.围绕 Cd 胁迫下 ROS 的发生及清除的相关
研究指出,该过程伴随着多个信号物质 (主要为
NO、Ca2+、植物激素及 MAPKs)的改变[7,10,15] .那么,
这些信号物质在 ROS 的生成或清除中发挥了何种
作用? 近 10年来的研究给了我们更多的依据,让我
们能进一步阐述这些物质在调控Cd诱导的氧化胁
表 1 不同植株中 Cd诱导的 ROS积累
Table 1 Cd⁃induced reactive oxygen species (ROS) accumulation in different plant species
植物
Plant
Cd浓度
Cd concentration
(μmol·L-1)
处理时间
Time of
treatment
试验现象及结论
Phenomenon and conclusion
文献
Reference
烟草(细胞悬液)
Nicotiana tabacum
(cell suspension)
3000 8 h NADPH氧化酶导致 H2O2累积;线粒体 O
-·2 含量增加;伴随细
胞死亡、脂肪酸氢过氧化物积累;Ca2+介导的信号传导和蛋白
质磷酸化调控 NADPH氧化酶活性
[5]
豌豆 50 15 d O -·2 和 H2O2 含量增加;过氧化物酶和 NADPH氧化酶被激活 [6-7]
P. sativum 100 48 h 细胞死亡与 NO和 H2O2 的产生有关 [19]
苜蓿 30 24 h 氧化应激和细胞死亡增加 [20]
Medicago sativa 50 48 h 根部 ROS和 H2O2 含量增加 [21]
拟南芥 100 15 h 1 h内 SOD酶活性增加 160%;O -·2 和 H2O2 含量增加 [22]
A. thaliana 100,150 14 d 高水平的 NO和 H2O2 促使 PCD [8]
水稻 5000 24 h H2O2 的积累依赖于 NADPH氧化酶和三磷酸磷脂酰肌醇 [23]
O. sativa 100,200,400 1 h MAPK酶活性受 OH·和 ROS(O -·2 或 H2O2)ROS积累的调控;
NADPH氧化酶和 Ca依赖蛋白激酶(CDPKs)活性受 Ca2+调控
[24]
100 13 d H2O2 积累并修饰生长素信号通路以及细胞周期性基因表达,
如生长素的分布(DR5⁃GUS)、合成(OsYUCs)、运输(OsPINs)
及生长素响应(OsARFs / OsIAAs)基因的表达
[9]
黄羽扇豆
Lupinus luteus
89 24 h H2O2 和 O
-·2 含量增加;PCD与 O
-·2 和 H2O2 的产生有关 [25]
大豆
Glycine max
100 30 min 在质膜中 Cd抑制 O -·2 的产生,这种抑制可由 Ca2+和 Mg2+逆
转;在线粒体中 Cd 诱导 O -·2 和 H2O2 的产生;Cd 诱导根部
H2O2 产生
[17]
40 6 d NO和 H2O2 含量增加引起抗氧化反应 [10]
油菜(根部)
Brassica juncea (roots)
50 96 h H2O2 含量增加 1.27倍;MDA 含量增加 59.3%;植物生长受抑
制
[26]
黄瓜(细胞)
Cucumis sativus (cells)
1000 0~168 h 初始 6 h Cd处理后 RNS和 ROS总量显著增加 [27]
289 应 用 生 态 学 报 27卷
迫的作用.
2 适量 NO缓解 ROS积累
2 1 Cd胁迫引起 NO含量变化
NO是一种广泛存在于生物体内的信号分子,
参与调控植物体内的生理生化过程,如种子萌发、植
株生长发育、叶片和果实衰老、细胞凋亡以及一系列
生物与非生物逆境胁迫反应[32] .近年来 Cd 胁迫下
植物体内 NO 含量变化的报道所示(表 2),虽然不
同植物品种间存在一些差异,但一般情况下短期 Cd
胁迫均导致了 NO含量上升,随处理时间的延长 NO
含量可能下降.
2 2 Cd胁迫下 NO的来源
众所周知,植物体内 NO 产生的主要来源为一
氧化氮合成酶(NOS)和硝酸还原酶(NR).因此,Cd
胁迫下有关 NO来源的研究也重点关注了上述两个
酶学过程.研究发现,200 μmol·L-1Cd 胁迫下,拟南
芥在 NOS 抑制剂(L⁃NAME)的作用下,NO 含量与
对照相比减少 74%,而两个 NR 突变体 nia1 和 nia2
的 NO产生并没有受到抑制,说明在这种特定的生
理背景下,NR不是 NO 产生的来源[38] .也有研究利
用另一种 NOS抑制剂(L⁃NMMA)及 NR 抑制剂(钨
酸盐)再次证明了上述结论[40] .但也有研究提出了
不同的结论,如 Xu 等[21]发现 NR 抑制剂钨酸盐也
能抑制 Cd胁迫下植物根系 NO 的积累.虽然上述研
究出现了不同的结果,但笔者更倾向于前者的结论,
即 NOS在 Cd诱导的 NO产生中更为重要.原因是钨
酸盐作为 NR的抑制剂,对植物其他生理过程也存
在伤害[42],因而利用 NR 突变体的试验结论更为可
靠.此外,还有研究发现 Cd 可通过影响 NOS 的磷酸
化来改变 NO 的产生[43],那么是否也会影响 NR 的
磷酸化还有待进一步研究.其他有关 Cd 胁迫下 NO
产生途径如亚硝酸盐 NO 还原酶(Ni⁃NOR)和黄嘌
呤氧化酶(XO)催化等酶促反应及非酶促反应至今
尚未见报道.
2 3 NO对 ROS清除的双重作用
许多研究证实,低浓度外源性 NO可缓解 Cd 引
起的氧化胁迫,减少对植物的毒害[18] .如 Cd 胁迫下
用 200 μmol·L-1NO供体(SNP)处理小麦(Triticum
aestivum)幼苗 24 h后可显著降低 Cd 诱导的脂质过
氧化,减少 H2O2 积累及根系电解质渗漏[44] .关于
NO缓解 Cd胁迫下植物氧化损伤可能性机制主要
有:1)外源 NO可改变 ROS 清除酶的活性及非酶促
抗氧化系统[22,45] .如Cd胁迫下,SNP能显著上调三
表 2 Cd胁迫下植物体内 NO含量的变化
Table 2 NO generation in Cd stressed⁃plants
植物
Plant
Cd浓度
Cd connentration
(μmol·L-1)
处理时间
Time of
treatment
试验现象及结论
Phenomenon and conclusion
文献
Reference
白杨
Populus alba
200 30 min NO含量增至 15. 5 μmol· L-1,而加入 500 μmol· L-1
L⁃NMMA后 NO含量减少 35%
[33]
烟草 (细胞)
N. tabacum (cells)
150 2~12 h NO显著增加,并伴随着 PCD的发生 [34]
小麦(根部) 10 3 h 幼苗根部呼吸量下降 42%,而 NO产量增长 73% [35]
Triticum aestivum (roots) 100 5 d 根部 NO含量显著增加;根系生长受抑制 [36]
大豆 40 6~72 h 6 h NO含量最大达到顶峰 [10]
G. max 7 72 h NO含量增加;外源 NO降低细胞中 O -·2 和 H2O2 含量 [37]
拟南芥 200 7 h 根部 NO含量增加
A. thaliana 50 96 h 叶片中 NO含量增加 [38]
150 48 h NO含量比对照组高出 4倍 [8]
黄羽扇豆(根部)
L. luteus (roots)
89 24 h 根部 NO含量显著增加 [25]
大麦(根尖)
Hordeum vulgare (root tips)
1000 24 h 根部 NO的产生使根系伸长量减少 40% [39]
荠菜(根部)
Brassica juncea (roots)
25 24~96 h 24 h后根部 NO含量显著增加 [26]
水稻(根部)
O. sativa (roots)
100 24 h 根部 NO含量降低;外源 NO增加耐 Cd性 [40]
苜蓿(根部)
Medicago truncatula (roots)
50 48 h 根部 NO含量降低;根长减少至 57%;外源 NO的应用有助
于幼苗生长并降低了 Cd积累
[21]
豌豆 100 48 h NO含量增加引起 PCD [19]
P. sativum 14 d 叶片 NO含量下降 [41]
50 15 d 根部、叶片 NO含量下降 [6-7]
3893期 张然然等: 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展
叶草(Trifolium repens)叶片 CAT、APX、GR 和 SOD
的活性[13];增加向日葵 (Helianthus annuus)叶片
GSH的含量[45];2) NO 作为一种有效的 ROS 清除
剂,可与 ROS(如 O -·2 )直接作用形成过氧化亚硝酸
根离子(ONOO-).ONOO-进一步与 H2O2 反应生成
NO2
-和 O2,从而减轻 ROS介导的细胞氧化损伤[46];
3)活性氮(RNS)的间接作用.最近有研究用荧光染
料观察到 Cd 胁迫下活性氮(RNS)含量的增加[47] .
RNS包括 NO自由基(NO·)、硝酰基(NO-)、亚硝
离子(NO+)、过氧亚硝基阴离子(ONOO-)、亚硝基
硫醇(SNO)及高氮氧化物等[48] .有研究发现,Cd 处
理黄羽扇豆(Lupinus luteus)根部 24 h 后,在根的分
化和伸长区会产生 ONOO- .ONOO-是重要的翻译后
修饰物质,可使蛋白发生 S⁃亚硝基化[25,48] . Ortega⁃
Galisteo等[49]已证实 S⁃亚硝基化过氧化氢酶和过氧
化物酶中的乙醇酸氧化酶均能调节 H2O2 的水平.因
此,RNS也可间接地影响 ROS的含量;4)外源性 NO
还能促进离子的吸收[31],或与其他物质(如 H2S)相
互作用,一起缓解 Cd诱导的 ROS积累[50] .
值得注意的是,低浓度的外源 NO 可促进植物
生长,而高浓度的外源 NO 并不能缓解 Cd 的毒害.
如 100 μmol·L-1 Cd 胁迫下分别施加 250 和 500
μmol·L-1SNP,仅在前者作用下莴苣(Lactuca sati⁃
va) 根部 MDA、 H2O2 和 O
-·
2 含量减少[51] . 100
μmol·L-1 Cd胁迫下分别施加 100、 200 和 400
μmol·L-1SNP 后发现,100 μmol·L-1 SNP 处理下
三叶草地上部 H2O2 和 MDA 含量最低,对缓解 Cd
胁迫最有效[13] .甚至 Cd胁迫下拟南芥细胞中 NO的
过量积累会触发 PCD[25] .因此,在 Cd 胁迫下应用外
源 NO时应考虑到它的双重作用.
3 Ca缓解 Cd诱导的氧化胁迫
3 1 Cd胁迫诱导 Ca含量变化
许多研究发现,Cd 胁迫下植物体 Ca 含量减少
(表 3).如 50 μmol·L-1CdCl2 处理 24 h后豌豆叶片
和根中的 Ca 含量分别减少近 57%和 35%[12];50
μmol·L-1CdCl2 处理 15 d后豌豆叶片中 Ca 含量减
少 27%[7];200 μmol·L-1Cd处理 10 d后蚕豆(Vicia
faba)Ca含量也显著减少[52] .但也有研究发现,100
μmol·L-1CdCl2 处理 14 d后三叶草地上部 Ca 含量
增加约 140%[13] .相关研究机理可归纳为 3点:1)Cd
可与 Ca竞争结合位点,使 Ca含量下降[53];2)Cd 可
增加 Ca转运蛋白(如质膜中的 Ca2+ ⁃ATPase)的活
性以驱动根细胞内的 Ca 进入外根细胞,使 Ca 含量
下降[13];3)基于 NADPH 氧化酶,Cd 活化磷酸肌醇
信号传导途径,促使 Ca2+存储器中 Ca2+的释放,引起
细胞质内 Ca2+水平增加,从而触发 Ca 信号的传
导[5,15,54] .
3 2 Ca缓解 ROS积累
1)ROS 的积累是 Ca 介导的过程.初步依据是
Ca介导的信号传导和蛋白质磷酸化可调控 NADPH
氧化酶的活性,而质膜 NADPH 氧化酶恰好是 H2O2
的主要来源之一[5,7,23];2)O -·2 作为 ROS 的重要组成
部分,其来源也和 Ca2+有关.有研究用 1 mmol·L-1
Ca2+通道抑制剂(LaCl3)处理豌豆根部,发现 O
-·
2 的
产生受到抑制[5],说明细胞内 Ca2+的变化将影响 Cd
诱导的 O -·2 积累;3)抗氧化酶也是 Ca 影响 ROS 积
累的主要因素之一.如 Cd 胁迫下水稻在缺 Ca 与正
常 Ca条件下对比发现,缺钙条件下叶片内 SOD、
CAT 、 APX和 GR活性升高 , ASA和 GSH活性下
表 3 不同 Cd处理条件下植株体内 Ca含量的变化及外源 Ca的作用
Table 3 Effect of Cd on Ca concentration and the application of exogenous Ca
植物
Plant
Cd浓度
Cd concentration
(μmol·L-1)
处理时间
Time of
treatment
试验现象及结论
Phenomenon and conclusion
文献
Reference
豌豆 50 24 h 叶片和根 Ca含量分别减少近 57%和 35% [12]
P. sativum 15 d 叶片 Ca含量减少 27%并降低 Ca / CaM介导的 NOS活性 [7]
大豆 G. max 100 4 d Cd与 Ca竞争吸收 [17]
三叶草 T. repens 100 14 d 地上部 Ca含量增加约 140%,根部 Ca含量降低约 60% [13]
洋甘菊
M. chamomilla
180 7 d 5 mmol·L-1外源 Ca增加地上部和根部生物量;植株内 Cd
含量、MDA和酚类物质减少
[55]
蚕豆 Vicia faba 200 10 d Ca含量减少;外源 Ca和 K协同缓解 Cd毒害 [52]
甘蓝
B. napus
500 7 d 2 mmol·L-1外源 Ca缓解 Cd 毒害,植株生物量和叶绿素
含量增加
[56]
烟草(细胞悬液)
N. tabacum (cell suspension)
3000 8 h 5 mmol·L-1外源 Ca可抑制 Cd胁迫引起的 H2O2 积累 [5]
扁豆
L. culinaris
40 14 d 5 mmol·L-1外源 Ca使扁豆地上部和根系 Cd含量分别降
低 2和 1.5倍;抗氧化酶活性增高;H2O2 和MDA含量降低
[57]
489 应 用 生 态 学 报 27卷
降[58];Talukdar[57]发现,Cd 胁迫下应用外源 Ca 将
减少扁豆( Lens culinaris)体内 H2O2 和 MDA 的含
量;Farzadfar等[55]发现,与无 Ca处理相比,在 Cd 胁
迫时外源 Ca的应用可降低 Cd 对洋甘菊(Matricaria
chamomilla)根部和地上部 SOD、CAT 和 POX 的影
响.并且 CaCl2 的浓度增加时 H2O2 和 MDA 含量随
之下降.上述现象均说明,Ca 的应用有利于缓解由
Cd胁迫引起的氧化胁迫.4)Ca 可通过结合蛋白(主
要有钙调素 CaM、钙依赖型蛋白激酶 CDPK 以及
Ca2+ ⁃ATPase)产生相应的 Ca信号,从而介导多种细
胞过程[59] .其中,CaM在 Cd 诱导的氧化应激信号级
联系统中起到重要作用,如 3 mmol·L-1Cd 胁迫下
加入 2 μmol·L-1 W7(CaM 抑制剂)可抑制烟草
(Nicotiana tabacum)细胞内氧化酶的活化并降低
H2O2 含量[5] .综上所述,Ca 可部分缓解 Cd 诱导的
ROS过量积累问题.
3 3 外源 Ca2+缓解 Cd氧化胁迫
为提高植物耐 Cd 性,近年来有关外源 Ca 应用
的研究逐步增多(表 3).Wan 等[56]发现,适量外源
Ca可增加甘蓝型油菜(Brassica napus)细胞膜的稳
定性,使植株生物量和叶绿素含量增加,缓解 Cd 的
毒害作用;Siddiqui 等[52]认为,Ca 的合理利用可增
加抗氧化酶的活性,从而缓解 Cd 胁迫的影响;另外
三叶草[60]、豌豆[14]、扁豆[58]、大蒜 ( Allium sati⁃
vum) [61]和洋甘菊[55]等植株受到 Cd胁迫时,施加外
源 Ca 均可改善植物的抗氧化系统,减轻脂质过
氧化.
事实上,在长期进化过程中植物也产生了一系
列与 Ca有关的非氧化胁迫途径的耐 Cd 机制:1)Cd
胁迫下烟草的一种解毒方式是通过叶片毛状体分泌
包含有 Cd和 Ca 的晶体[62];2)Ca 可通过增强植物
络合素合成酶基因 LsPCSI的表达,从而提高植物络
合素的合成以缓解 Cd 的毒害[63];3)在质膜附近,
Ca2+通过降低细胞表面的电负性并与 Cd2+的离子内
流竞争,以缓解 Cd的毒性[56] .
3 4 Cd胁迫下 Ca与 NO的关系
首先,Ca能影响 Cd 胁迫下植物 NO 含量.如在
Cd胁迫豌豆幼苗的营养液中加入 Ca,将改变叶片
NOS活性,导致 NO 含量显著增加,并伴随 ROS 的
减少[7] .其次,Cd 胁迫下 NO 也将影响植物体内 Ca
的含量.Xu等[21]发现,Cd胁迫 48 h后苜蓿(Medica⁃
go truncatula)体内 Ca含量减少了 74.8%,而 SNP 处
理后苜蓿体内 Ca含量增加了 150%,并伴随 GSH含
量的增加和 H2O2 含量的减少.Garcia⁃Mata 等[64]认
为,在非 Cd胁迫下,Ca2+是 NO 的下游信号,NO 通
过介导 cADPR 和 cGMP 依赖的途径诱导细胞内
Ca2 +释放.另一方面,Liao 等[65]发现,CaM 抑制剂可
阻止 NO 诱导的不定根的产生,Ca2+可能作为 CaM
的上游信号分子参与 NO和 H2O2 诱导的生根过程.
因此,Cd胁迫下 Ca 与 NO 在参与调控 ROS 的积累
与清除过程中的关系也可能是相互的,仍待进一步
证实.
4 植物激素在缓解 Cd氧化胁迫中的作用
4 1 Cd胁迫引起植物激素含量变化
研究显示,Cd 胁迫下植物激素,如关注度较高
的生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、茉莉
酸(JA)和乙烯(ET)),均会发生显著变化.笔者将这
些研究结果进行了归纳,详见表 4.大多情况下,Cd
胁迫可引起植物体内 IAA含量的下降,及 ABA、SA、
ET和 JA含量的增加.
4 2 植物激素缓解 Cd诱导的氧化胁迫
4 2 1 IAA Tamas 等[14]通过 IAA 抑制剂对氯苯氧
异丁酸(PCIB)证实了 IAA 能有效缓解 Cd 引起的
H2O2 积累问题.另外,Bocˇová 等[75]也指出 PCIB 的
应用将降低短期内由 Cd或 IAA诱导的谷胱甘肽⁃S⁃
转移酶(GST)的活性,说明 IAA 信号通路可能参与
解毒酶的活化.这说明 IAA 可改善植物的抗氧化胁
迫状况.由此可见,外源 IAA 的应用可缓解 Cd 诱导
的氧化应激反应[66] .
4 2 2 ABA 在 Cd 胁迫下,耐 Cd 品种(TNG67)水
稻叶片和根部中 ABA 含量逐渐增加,而 Cd 敏感品
种(TN1)ABA 含量变化不显著[69],证实 ABA 在植
物耐 Cd胁迫中发挥一定作用.ABA 缓解 Cd 胁迫的
途径可能有以下几点:1)ABA通过调控抗氧化系统
缓解 Cd 胁迫.如 Li 等[76]发现,Cd 胁迫降低绿豆
(Vigna radiata)GSH的水平.但在 ABA 预处理下可
恢复 GSH的水平,间接调控 Cd 胁迫下由 ROS 积累
引起的氧化应激.2)ABA 可通过调控植物螯合肽的
合成缓解 Cd胁迫.近期 Stroiski 等[11]研究发现,马
铃薯(Solanum tuberosum)在 Cd 胁迫或 ABA 单一处
理下均能增强根部螯合肽合成酶( PCS)的活性、
StPCS1的转录水平、NCED1 及 b⁃ZIP 基因的表达.
而 Cd胁迫下加入 ABA抑制剂氟啶草酮(Flu)后,将
完全阻止了 Cd对 StPCS1、NCED1 和 StbZIP 基因的
转录并抑制 PCS 活性的增加,说明 Cd 胁迫下 ABA
参与了 PCS 在马铃薯根部细胞的转导.另外,Hay⁃
ward等[77]也证实了ABA可通过增加植物螯合肽的
5893期 张然然等: 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展
表 4 Cd胁迫对内源性植物激素的影响及相关成果
Table 4 Effects of Cd stress on endogenous hormones
信号
Signal
植物
Plant
Cd浓度
Cd
concentration
(μmol·L-1)
处理时间
Time of
treatment
试验现象及结论
Phenomenon and conclusion
文献
Reference
生长素
Auxin
大麦(根尖)
H. vulgare (root tip)
10~60 0-6 h IAA可缓解 Cd 对根系生长的抑制作用,降低
H2O2 积累
[14]
50 7 d 根部 IAA含量降低至 53% [66]
水稻
O. sativa
100 15 d IAA和 O -·2 可能介导 OsPID、OsPINs、OsARFs
等基因表达调控
[67]
脱落酸
Abscisic acid
马铃薯(根部)
Solanum tuberosum(roots)
100 5-48 h 根部 ABA含量增加 4倍 [68]
水稻
O. sativa
500 0-3 d 耐 Cd型(TNG67)水稻叶片和根部中 ABA 含
量逐渐增加,而 Cd敏感型(TN1)水稻在 Cd胁
迫的前 2 d 叶片 ABA 含量无变化;根部 ABA
含量增加,且 TNG67 水稻根部 ABA 积累量比
TN1水稻高
[69]
小麦
T. aestivum
400,1000 30 d ABA含量下降 [70]
水杨酸
Salicylic
acid
蓖麻
Ricinus communis
50 12 d 500 μmol·L-1 SA预处理可减少其在 Cd胁迫
下的生物量、净光合速率、气孔导度和胞间
CO2 浓度
[71]
玉米(叶片)
Z. mays (leaves)
10,15 14 d 叶片 SA含量增加 50% [72]
豌豆(根部)
P. sativum (roots)
50 15 d 根部 SA含量增加近 2倍 [6]
乙烯
Ethylene
大豆(根部)
G. max (roots)
222 24 h 根部 ET含量增加近 5倍 [73]
豌豆(叶片)
P. sativum (leaves)
50 14 d 叶片 ET含量增加 2倍 [7]
茉莉酸
Jasmonic
红花菜豆(叶片)
Phaseolus coccineus (leaves)
100 1-14 h 7~14 h时幼苗叶片 JA含量显著增加
acid 拟南芥(叶片)
A. thaliana (leaves)
100 7-14 h 7 h叶片 JA含量显著增加 [74]
豌豆(叶片)
P. sativum (leaves)
50 14 d 叶片甲基茉莉酸含量增加 2倍 [7]
产生缓解 Cd 毒害作用.3) ABA 也可通过气孔调节
维持植物水分平衡,从而帮助植物适应 Cd 胁迫[78] .
综上所述,外源 ABA 的应用在一定程度上可缓解
Cd胁迫的不利影响.但近期有研究发现,ABA 仅在
低浓度条件下缓解 Cd 胁迫,而高浓度外源 ABA 的
应用则会对植物产生毒害作用.如 Fan 等[79]研究发
现,Cd胁迫下,0.5 μmol·L-1ABA 可显著增加拟南
芥地上部和根部生物量,而 1 μmol·L-1ABA 作用
下拟南芥地上部和根部生物量则大大减少.目前有
关外源 ABA实际施用的研究大多数仍停留在水培
条件下,今后可考虑开展如叶片喷施等方法的土培
试验,以提高其实际应用前景.
4 3 3 SA 近年来研究发现,外源 SA 可缓解 Cd 诱
导的氧化应激[80] .如 SA预处理后小麦体内 MDA和
H2O2 含量下降[70];SA可通过抑制 ROS的过量产生
来缓解 Cd 诱导的光化学损伤和自噬性细胞死
亡[81];SA可通过介导 NADPH 氧化酶产生的 H2O2
以应对 Cd 胁迫引起的氧化应激[82];外源 SA 还可
影响 Cd 诱导的抗氧化酶如 SOD、APX、CAT 和 GR
的活性[83] .上述事例均表明 Cd逆境时 SA可能是一
个抗氧化剂.在许多植物如玉米(Zea mays) [72]、豌
豆[6]等中均发现,Cd胁迫下外源 SA可改变 ROS 积
累和抗氧化酶系统的活性,缓解 Cd 胁迫带来的不
利影响.
近期有研究者基于 SA 突变体的研究发现,Cd
胁迫下植株内源性 SA过高也是不利的[18] .如 Cd 胁
迫下野生型拟南芥植株叶片中的 H2O2 积累量、SOD
活性高于 SA 缺乏突变体(NahG),而 CAT 活性和
GSH含量则低于 NahG[80] . Tao 等[84]通过对拟南芥
(wt)、 SA 积累突变体 ( snc1)和 SA 缺失突变体
(nahG)的研究发现,CdCl2 胁迫下,与 wt 相比,snc1
的生长受到抑制,而 nahG体现出对 Cd的耐受性.并
且 snc1 植株中 H2O2 和 MDA 含量高于 nahG,说明
较高浓度的内源 SA 可导致 Cd 诱导的植物生长发
育迟缓,而 SA 的缺乏则促进植物生长[18] .因此,SA
的作用方式可能取决于 SA 的浓度及植物对 SA 的
689 应 用 生 态 学 报 27卷
敏感性.
4 3 4 ET 基于乙烯抑制剂和乙烯突变体,研究者
证实 ET在植物应对 Cd 胁迫过程中起到重要作用.
如 Cd胁迫下加入 ET 抑制剂硫代硫酸银(STS)1 h
后洋葱(Allium cepa)体内 H2O2 含量下降,但是 5 h
后 H2O2 含量增加[85];Monteiro 等[86]通过野生型番
茄(Solanum lycopersicum)植株(MT)和乙烯不敏感
突变体(Nr)对比发现,Cd 诱导下两种植株在生长
参数、Cd积累和脂质过氧化等方面有显著差异,即
Nr植株的生物量下降、MDA 及 H2O2 含量增加.另
外,用 ET生物合成抑制剂对荠菜预处理后发现,ET
可调节硫代谢[87] .由于硫同化可促使 GSH的形成并
缓解 Cd胁迫,因此 ET被认为可介导 GSH调控途径
缓解 Cd的毒害作用.在大豆(Glycine max)中 ET 浓
度的增加不仅会诱导乙烯生物合成途径酶的基因编
码,还会诱导与多胺代谢相关蛋白的基因[15] .而多
胺可通过减少 Cd胁迫下 ROS的积累及脂质过氧化
作用缓解 Cd 的毒害作用[88] .这可能是 Cd 胁迫下
ET的解毒途径之一.
4 3 5 JA 一般而言,低浓度的 JA 可缓解 Cd 的毒
害作用.如 20 μmol·L-1 JA 预处理可有效改善 Cd
诱导的氧化应激,使硫代巴比妥酸反应物质
(TBARS)含量下降,GSH 含量提高,H2O2 和 O
-·
2 的
积累降低[89] .有研究发现,Cd 胁迫下拟南芥在外源
JA的作用下可增加 GSH的 mRNA转录水平和 GSH
基因(如 gsh1、gsh2 和 gr1)的合成,从而缓解 Cd 胁
迫的不利影响[90] .也有报道指出,Cd 胁迫下高浓度
的 JA(10-4 mol·L-1)可导致植物体内脂氧合酶活
性升高、脂质过氧化增加及 H2O2 积累[91] .相反地,
通过没食子酸丙酯阻断内源性 JA的合成可降低 Cd
胁迫对植物光合系统的破坏.因此,Cd 胁迫下外源
JA的施用需考虑其浓度的影响.
4 4 植物激素与 NO、Ca的关系
Cd胁迫下 NO 可影响激素的含量.如 Cd 胁迫
下 NO清除剂可降低黄羽扇豆体内 SA 含量[25] .植
物激素也可反作用于 NO,如对大豆幼苗的研究发
现,Cd 胁迫下增加 ET 将诱导 NO 主要产生途
径———NR基因的表达[73];Cd 胁迫下,拟南芥在 5
μmol·L-1赤霉素(GA)处理下将减少 NO 的积累,
并伴随 MDA 含量的下降[92] .那么,Cd 胁迫下激素
是否可激活 Ca信号? 有研究指出 ABA可通过激活
鞘氨醇磷酸酯的合成、G蛋白、脂肪酶 C和 IP3调节
细胞内 Ca2+,Ca2+波动可产生蛋白激酶和磷酸酶的
级联反应,使 b⁃ZIP 等转录因子被激活,从而实现信
号的转导[93] .
5 Cd胁迫下MAPK的作用
5 1 Cd胁迫可激活 MAPK
上述研究表明,Ca、NO 及植物激素等信号物质
可调控 Cd诱导的氧化胁迫.然而,这些信号物质在
调控 Cd 诱导的氧化胁迫过程中,离不开有丝分裂
原活化蛋白激酶(MAPK)的作用.研究证实,Cd 胁
迫可激活 MAPK.如 100~400 μmol·L-1Cd2+处理水
稻幼苗后 OsMAPK2 和 OsMSRMK2 被激活[94];1 ~
300 μmol·L-1 Cd2+处理拟南芥幼苗后 MPK3 和
MPK6被激活,且随着 Cd 浓度的增加,其磷酸化水
平升高[95];5 μmol·L-1Cd2+处理后 MPK6 基因表达
及活性显著增加[96];大豆幼苗在 25 mg L-1Cd 处理
3 h后根部 MAPKK2含量增加 5倍,6 h时 MAPKK2
含量低于对照组,但 24 h时MAPKK2含量又高于对
照[73] .由此可见,不同浓度 Cd 处理均能激活
MAPKs,且 Cd 胁迫时间不同会引起 MAPKs 含量的
变化.
5 2 MAPK与 ROS、NO、Ca和植物激素的关系
第一,Cd 胁迫下 ROS 可作为 MAPKs 的上游信
号.证据:1)拟南芥幼苗在 ROS 清除剂(谷胱甘肽)
的处理下,MAPKs活性受到抑制[97]; 2)Cd 胁迫下,
水稻幼苗在·OH清除剂(苯甲酸钠)及 NADPH 氧
化酶抑制剂(碘二苯)的作用下,根部 MAPKs 的活
化程度降低[24] .第二,Cd胁迫下 NO与 MAPKs之间
的作用可能是相互的.支持 NO 是 MAPKs 上游信号
的证据来源于 Ye 等[98] .他们发现,Cd 胁迫下拟南
芥幼苗在 NO 淬灭剂 cPTIO 处理后 MAPK 活性降
低.并且 Cd胁迫下 NO可通过促进 MPK6 介导的半
胱天冬酶⁃3蛋白酶的活化诱导拟南芥细胞的 PCD.
然而在非 Cd胁迫研究中,Wang 等[99]却证实 MAPK
在介导 H2O2 诱导的 NO 产生中的关键作用.说明
NO及 MAPK 在介导 Cd 诱导的氧化胁迫中发挥了
重要作用.如 Jin 等[96]发现,与野生型相比,Cd 胁迫
下 MPK6突变体 NO含量明显减少,并伴随 MDA和
H2O2 含量降低,细胞膜完整性增强.第三,非 Cd 胁
迫下,MAPK级联系统、Ca2+ /钙调蛋白依赖的蛋白
激酶(CCaMK)的相互作用共同参与了 ABA 信号的
响应.因而,Cd 胁迫下 Ca 和 MAPKs 可能存在直接
的信号传递,有待今后验证.第四,许多植物激素被
发现与 MAPK 存在重要联系.如 Zhao 等[100]指出,
Cd胁迫下水稻可通过 MAPKs调节 IAA和细胞周期
相关的基因从而调节水稻根系的生长,体现了 Cd
7893期 张然然等: 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展
胁迫下 IAA可作为 MAPKs 的下游信号参与信号的
转导.但是,植物激素也能反作用于 MAPK.如 ABA
能激活拟南芥和豌豆的 MAPK[101] .因此,Cd 胁迫下
MAPK与 Ca、NO及植物激素之间的调控极其复杂.
多数学者认为,上述信号物质激活的 MAPK 级联系
统可通过转录因子调控基因的表达(如 MYB、HSF、
bZIP 和 WRKY DREB家族)使上述信号在短时间内
快速放大,从而促使植物对 Cd 诱导的氧化胁迫作
出应答[102] .
6 展 望
综上所述,植物耐 Cd 诱导的氧化胁迫机制是
一个复杂的生理生化调控过程.根据近年来有关 Cd
胁迫下信号响应机制的报道,对上文提及的几种信
号物质之间的关系进行了归纳,见图 1.一般情况下,
当植物发生 Cd 胁迫时,植物体内 ROS 含量显著增
加,并伴随着 Ca、NO及植物激素含量的变化(表 1、
2、3和 4).其中,NO可与 ROS 直接或间接地发生作
用,NO也将影响植物体内 Ca 的含量.反之,Ca 也介
导了 ROS和 NO的信号转导.另一方面,植物激素可
受 ROS、NO 及 Ca 的调控,反过来植物激素也可引
起上述物质的量变.它们将激活植物体内的 MAPK
级联系统调控基因的表达,使植物在短时间内对 Cd
胁迫作出应答反应[28] .
目前仅了解了上述信号物质在抗 Cd 氧化胁迫
中的基本作用,今后可从以下方面更全面地了解 Cd
胁迫下这些信号之间的网络作用机制:1)Cd 胁迫下
ROS、NO、Ca、植物激素和 MAPKs 信号之间的上下
游关系仍需进一步完善;2)信号分子提高植物抗 Cd
氧化胁迫能力时大多表现出了双重作用,其关键作
图 1 Cd 胁 迫 下 植 物 体 内 信 号 的 交 叉 作 用 途
径[6, 16, 23-24, 37, 39, 44, 46,57, 64, 70, 91-92, 96-97, 99-100]
Fig. 1 Signaling cross⁃talk in response to Cd stresses in
plants[6, 16, 23-24, 37, 39, 44, 46,57, 64, 70, 91-92, 96-97, 99-100] .
用点的发现对于掌握这些信号物质的调控作用可能
更重要;3)鉴于植物激素对缓解 Cd 胁迫的重要作
用,今后可考虑实际应用性研究.
参考文献
[1] Lindstrom M. Urban land use influences on heavy metal
fluxes and surface sediment concentrations of small
lakes. Water, Air and Soil Pollution, 2001, 126: 363-
383
[2] Ministry of Enviromental Protection (环境保护部),
Ministry of Land and Resources (国土资源部). The
National General Survey of Soil Contamination in 2014
[EB / OL]. (2014⁃04⁃17) [2015⁃11⁃20]. http: / / www.
zhb. gov. cn / gkml / hbb / qt / 201404 / t20140417 _ 270670.
htm (in Chinese)
[3] Wei BG, Yang LS. A review of heavy metal contamina⁃
tions in urban soils, urban road dusts and agricultural
soils from China. Microchemical Journal, 2010, 94 :99-
107
[4] Iqbal N, Masood A, Nazar R, et al. Photosynthesis,
growth and antioxidant metabolism in mustard (Brassica
juncea L.) cultivars differing in cadmium tolerance. Ag⁃
ricultural Sciences in China, 2010, 9: 519-527
[5] Garnier L, Simon⁃Plas F, Thuleau P, et al. Cadmium
affects tobacco cells by a series of three waves of reactive
oxygen species that contribute to cytotoxicity. Plant, Cell
and Environment, 2006, 29: 1956-1969
[6] Rodríguez⁃Serrano M, Romero⁃Puertas MC, Zabalza A,
et al. Cadmium effect on oxidative metabolism of pea
(Pisum sativum L.) roots: Imaging of reactive oxygen
species and nitric oxide accumulation in vivo. Plant,
Cell and Environment, 2006, 29: 1532-1544
[7] Rodríguez⁃Serrano M, Romero⁃Puertas MC, Pazmino
DM, et al. Cellular response of pea plants to cadmium
toxicity: Cross talk between reactive oxygen species, ni⁃
tric oxide, and calcium. Plant Physiology, 2009, 150:
229-243
[8] De Michele R, Vurro E, Rigo C, et al. Nitric oxide is
involved in cadmium⁃induced programmed cell eath in
Arabidopsis suspension cultures. Plant Physiology,
2009, 150: 217-228
[9] Zhao FY, Han MM, Zhang SY, et al. Hydrogen peroxide⁃
mediated growth of the root system occurs via auxin sig⁃
naling modification and variations in the expression of
cell⁃cycle genes in rice seedlings exposed to cadmium
stress. Journal of Integrative Plant Biology, 2012, 54:
991-1006
[10] Pérez⁃Chaca MV, Rodríguez⁃Serrano M, Molina AS, et
al. Cadmium induces two waves of reactive oxygen spe⁃
cies in Glycine max (L) roots. Plant, Cell and Environ⁃
ment, 2014, 37: 1672-1687
[11] Stroiński A, Giżewska K, Zielezińska M. Abscisic acid
is required in transduction of cadmium signal to potato
roots. Biologia Plantarum, 2013, 57: 121-127
[12] Sandalio LM, Dalurzo HC, Gomez M, et al. Cadmium⁃
889 应 用 生 态 学 报 27卷
induced changes in the grow and oxidative metabolism of
pea plants. Journal of Experimental Botany, 2001, 52:
2115-2126
[13] Liu SL, Yang RJ, Ma MD, et al. Effects of exogenous
NO on the growth, mineral nutrient content, antioxidant
system, and ATPase activities of Trifolium repens L.
plants under cadmium stress. Acta Physiologiae Planta⁃
rum, 2015, 37: 1721
[14] Tamas L, Bocˇ ov B, Huttov J, et al. Impact of the
auxin signaling inhibitor p⁃chlorophenoxyisobutyric acid
on short⁃term Cd⁃induced hydrogen peroxide production
and growth response in barley root tip. Journal of Plant
Physiology, 2012, 169: 1375-1381
[15] Chmielowska⁃Bᶏk J, Deckert J. Nitric oxide mediates
Cd⁃dependent induction of signaling⁃associated genes.
Plant Signaling and Behavior, 2013, 8: e26661
[16] Miller G, Shulaev V, Mittler R. Reactive oxygen signa⁃
ling and abiotic stress. Physiologia Plantarum, 2008,
133: 481-489
[17] Heyno E, Klose C, Krieger⁃Liszkay A. Origin of cadmi⁃
um⁃induced reactive oxygen species production: Mito⁃
chondrial electron transfer versus plasma membrane
NADPH oxidase. New Phytologist, 2008, 179: 687 -
699
[18] Chmielowska⁃Bᶏk J, Gzyl J, Rucińska⁃Sobkowiak R, et
al. The new insights into cadmium sensing. Frontiers in
Plant Science, 2014, 5: 1-13, 245
[19] Lehotai N, Peto A, Bajkn S, et al. In vivo and in situ
visualization of early physiological events induced by
heavy metals in pea root meristem. Acta Physiologiae
Plantarum, 2011, 33: 2199-2207
[20] Ortega⁃Villasante C, Rellán⁃Álvarez ZZ, Del Campo
FF, et al. Cellular damage induced by cadmium and
mercury in Medicago sativa. Journal of Experimental
Botany, 2005, 56: 2239-2251
[21] Xu J, Wang WY, Yin HX, et al. Exogenous nitric oxide
improves antioxidative capacity and reduces auxin degra⁃
dation in roots of Medicago truncatula seedlings under
cadmium stress. Plant and Soil, 2010, 326: 321-330
[22] Maksymiec W, Krupa Z. The effects of short⁃term expo⁃
sition to Cd, excess Cu ions and jasmonate on oxidative
stress appearing in Arabidopsis thaliana. Environmental
and Experimental Botany, 2006, 57: 187-194
[23] Hsu, YT, Kao CH. Toxicity in leaves of rice exposed to
cadmium is due to hydrogen peroxide accumulation.
Plant and Soil, 2007, 298: 231-241
[24] Yeh CM, Chien PS, and Huang HJ. Distinct signaling
pathways for induction of MAP kinase activities by cad⁃
mium and copper in rice roots. Journal of Experimental
Botany, 2007, 58: 659-671
[25] Arasimowicz⁃Jelonek M, Floryszak⁃Wieczorek J, Dec⁃
kert J, et al. Nitric oxide implication in cadmium⁃
induced programmed cell death in roots and signaling
response of yellow lupine plants. Plant Physiology and
Biochemistry, 2012, 58: 124-134
[26] Verma K, Mehta SK, Shekhawat GS. Nitric oxide (NO)
counteracts cadmium induced cytotoxic processes media⁃
ted by reactive oxygen species (ROS) in Brassica jun⁃
cea: Cross⁃talk between ROS, NO and antioxidant re⁃
sponses. Biometals, 2013, 26: 255-269
[27] Piterkov J, Luhov L, Navrtilov B, et al. Early and
long⁃term responses of cucumber cells to high cadmium
concentration are modulated by nitric oxide and reactive
oxygen species. Acta Physiologiae Plantarum, 2015,
37: 1-12, 19
[28] Apel K, Hirt H. Reactive oxygen species: Metabolism,
oxidative stress, and signal transduction. Plant Biology,
2004, 55: 373-399
[29] Mittler R, Vanderauwera S, Gollery M, et al. Reactive
oxygen gene network of plants. Trends in Plant Science,
2004, 9: 490-498
[30] Liu Z⁃L (刘周莉), He X⁃Y (何兴元), Chen W (陈
玮). Effects of cadmium stress on the growth and physio⁃
logical characteristics of Lonicera japonica. Chinese Jour⁃
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2009, 20(1):
40-44 (in Chinese)
[31] Zang H, Jiang Y, He Z, et al. Cadmium accumulation
and oxidative burst in garlic (Allium sativum). Journal
of Plant Physiology, 2005, 162: 977-984
[32] Serrano I, Romero⁃Puertas MC, Rodríguez⁃Serrano M,
et al. Peroxynitrite mediates programmed cell death both
in papillar cells and in self⁃incompatible pollen in the
olive (Olea europaea L.). Journal of Experimental Bota⁃
ny, 2012, 63: 1479-1493
[33] Balestrazzi A, Macovei A, Testoni C, et al. Nitric oxide
biosynthesis in white poplar (Populus alba L.) suspen⁃
sion cultures challenged with heavy metals. Plant Stress,
2009, 3: 1-6
[34] Ma W, Xu W, Xu H, et al. Nitric oxide modulates cad⁃
mium influx during cadmium⁃induced programmed cell
death in tobacco BY⁃2 cells. Planta, 2010, 232: 325-
335
[35] Mahmood T, Gupta KJ, Kaiser WM. Cadmium stresss
timulates nitric oxide production by wheat roots. Pakistan
Journal of Botany, 2009, 41: 1285-1290
[36] Groppa MD, Rosales E P, Iannone M F, et al. Nitric
oxide, polyamines and Cd⁃induced phytotoxicity in
wheat roots. Phytochemistry, 2008, 69: 2609-2615
[37] Kopyra M, Stachoń⁃Wilk M, Gwóżdż AE. Effects of
exogenous nitric oxide on the antioxidant capacity of cad⁃
mium⁃treated soybean cell suspension. Acta Physiologiae
Plantarum, 2006, 28: 525-536
[38] Besson⁃Bard A, Wendehenne D. NO contributes to cad⁃
mium toxicity in Arabidopsis thaliana by mediating an
iron deprivation response. Plant Signal and Behavior,
2009, 4: 252-254
[39] Valentovicov K, Haluškov L, Huttov J, et al. Effect
of cadmium on diaphorase activity and nitric oxide pro⁃
duction in barley root tips. Journal of Plant Physiology,
2010, 167: 10-14
[40] Xiong J, An L, Lu H, et al. Exogenous nitric oxide en⁃
hances cadmium tolerance of rice by increasing pectin
and hemicellulose contents in root cell wall. Planta,
2009, 230: 755-765
9893期 张然然等: 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展
[41] Wendehenne D, Durner J, Klessig DF. Nitric oxide: A
new player in plant signalling and defence responses.
Current Opinion in Plant Biology, 2004, 7: 449-455
[42] Xiong J, Fu GF, Yang YJ, et al. Tungstate: Is it really
a specific nitrate reductase inhibitor in plant nitric oxide
research? Journal of Experimental Botany, 2012, 63:
33-41
[43] Majumder S, Muley A, Kolluru GK, et al. Cadmium re⁃
duces nitric oxide production by impairing phosphoryla⁃
tion of endothelial nitric oxide synthase. Biochemistry
and Cell Biology, 2008, 86: 1-10
[44] Singh HP, Batish DR, Kaur G, et al. Nitric oxide ( as
sodium nitroprusside) supplementation ameliorates Cd
toxicity in hydroponically grown wheat roots. Environ⁃
mental and Experimental Botany, 2008, 63: 158-167
[45] Laspina NV, Groppa MD, Tomaro ML, et al. Nitric
oxide protects sunflower leaves against Cd induced oxi⁃
dative stress. Plant Science, 2005, 169: 323-330
[46] Chen F, Wang H, Sun Y, et al. Genotype⁃dependent
effect of exogenous nitric oxide on Cd⁃induced changes
in antioxidative metabolism, ultrastructure, and photo⁃
synthetic performance in barley seedlings (Hordeum vul⁃
gare). Journal of Plant Growth Regulation, 2010, 29:
394-408
[47] Kovcˇik J, Babula P, Hedbavny J, et al. Manganese⁃
induced oxidative stress in two ontogenetic stages of
chamomile and amelioration by nitric oxide. Plant
Science, 2014, 215-216: 1-10
[48] Khan MN, Mohammad MMF, Francisco J, et al. Nitric
Oxide in Plants: Metabolism and Role in Stress Physio⁃
logy. New York: Springer, 2014
[49] Ortega⁃Galisteo AP, Rodríguez⁃Serrano M, Pazmiño
DM, et al. S⁃Nitrosylated proteins in pea (Pisum sati⁃
vum L.) leaf peroxisomes: Changes under abiotic stress.
Journal of Experimental Botany, 2012, 63: 2089-2103
[50] Shi H, Ye T, Chan Z. Nitric oxide⁃activated hydrogen
sulfide is essential for cadmium stress response in ber⁃
mudagrass (Cynodon dactylon (L) Pers). Plant Physio⁃
logy and Biochemistry, 2014, 74: 99-107
[51] Xu L, Dong Y, Kong J, et al. Effects of root and foliar
applications of exogenous NO on alleviating cadmium
toxicity in lettuce seedlings. Plant Growth Regulation,
2014, 72: 39-50
[52] Siddiqui MH, Al⁃Whaibi MH, Sakran A M, et al.
Effect of calcium and potassium on antioxidant system of
Vicia faba L. under cadmium stress. International Jour⁃
nal of Molecular Science, 2012, 13: 6604-6619
[53] Faller P, Kienzler K, Krieger⁃Liszkay A. Mechanism of
Cd2+ toxicity: Cd2+ inhibits photoactivation of photosys⁃
tem II by competitive binding to the essential Ca2+ site.
Biochimica et Biophysica Acta, 2005, 1706: 158-164
[54] Yakimova ET, Kapchina⁃Toteva VM, Laarhoven LJ, et
al. Involvement of ethylene and lipid signaling in cadmi⁃
um⁃induced programmed cell death in tomatosuspension
cells. Plant Physiology and Biochemistry, 2006, 44:
581-589
[55] Farzadfar S, Zarinkamar F, Modarres⁃Sanavy SAM, et
al. Exogenously applied calcium alleviates cadmium to⁃
xicity in Matricaria chamomilla L. plants. Environmental
Science and Pollution Research, 2013, 20: 1413-1422
[56] Wan G, Najeeb U, Jilani G. Calcium invigorates the
cadmium⁃stressed Brassica napus L. plants by strengthe⁃
ning their photosynthetic system. Environmental Science
and Pollution Research, 2011, 18: 1478-1486
[57] Talukdar D. Exogenous calcium alleviates the impact of
cadmium⁃induced oxidative stress in Lens culinaris Me⁃
dic. seedlings through modulation of antioxidant enzyme
activities. Journal of Crop Science and Biotechnology,
2012, 15: 325-334
[58] Cho SH, Chao YY, Kao CH. Calcium deficiency increa⁃
ses Cd toxicity and Ca is required for heat⁃shock induced
Cd tolerance in rice seedlings. Journal of Plant Physiolo⁃
gy, 2012, 169: 892-898
[59] Sander D, Brownlee C, Harper J F. Communicating with
calcium. Plant Cell, 1999, 11: 691-706
[60] Wang CQ, Song H. Calcium protects Trifolium repens L.
seedlings against cadmium stress. Plant Cell Reports,
2004, 28: 1341-1349
[61] Li H (李 贺), Lian H⁃F (连海峰), Liu S⁃Q (刘世
琦), et al. Effect of cadmium stress on physiological
characteristics of garlic seedlings and the alleviation
effects of exogenous calcium. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2015, 26(4): 1193-1198
(in Chinese)
[62] Choi YE, Harada E, Wada M. Detoxification of cadmi⁃
um in tobacco plants: Formation and active excretion of
crystals containing cadmium and calcium through tri⁃
chomes. Planta, 2001, 213: 45-50
[63] He ZY, Li JC, Zhang HY. Different effects of calcium
and lanthanum on the expression of phytochelatin syn⁃
thase gene and cadmium absorption in Lactuca sativa.
Plant Science, 2005, 168: 309-318
[64] Garcia⁃Mata C, Gay R, Sokolovski S, et al. Nitric oxide
regulates K+ and Cl- channels in guard cells through a
subset of abscisic acid⁃evoked signaling pathways. Pro⁃
ceedings of the National Academy of Sciences of the Uni⁃
ted States of America, 2003, 100: 11116-11121
[65] Liao WB, Zhang ML, Huang GB, et al. Ca2+ and CaM
are involved in NO- and H2O2 induced adventitious root
development in marigold. Journal of Plant Growth Regu⁃
lation, 2012, 31: 253-264
[66] Zhu XF, Wang ZW, Dong F, et al. Exogenous auxin al⁃
leviates cadmium toxicity in Arabidopsis thaliana by
stimulating synthesis of hemicellulose 1 and increasing
the cadmium fixation capacity of root cell walls. Journal
of Hazardous Materials, 2013, 263: 398-403
[67] Zhao FY, Hu F, Han MM, et al. Superoxide radical
and auxin are implicated in redistribution of root growth
and the expression of auxin and cell⁃cycle genes in cad⁃
mium⁃stressed rice. Russian Journal of Plant Physiolo⁃
gy, 2011, 58: 851-863
[68] Stroiński A, Gizewska K, Zielezińska M. Abscisic acid
is required in transduction of cadmium signal to potato
roots. Biologia Plantarum, 2013, 57: 121-127
099 应 用 生 态 学 报 27卷
[69] Hsu YT, Kao CH. Role of abscisic acid in cadmium to⁃
lerance of rice (Oryza sativa L.) seedlings. Plant, Cell
and Environment, 2003, 26: 867-874
[70] Moussa HR, El⁃Gamal SM. Effect of salicylic acid pre⁃
treatmenton cadmium toxicity in wheat. Biologia Planta⁃
rum, 2010, 54: 315-320
[71] Liu C, Guo J, Cui Y, et al. Effects of cadmium and sa⁃
licylic acid on growth, spectral reflectance and photo⁃
synthesis of castor bean seedlings. Plant and Soil,
2011, 344, 131-141
[72] Krantev A, Yordanova R, Janda T, et al. Treatment
with salicylic acid decreases the effect of cadmium on
photosynthesis in maize plants. Journal of Plant Physio⁃
logy, 2008, 165: 920-931
[73] Chmielowska⁃Bᶏk J, Lefèvre I, Lutts S, et al. Short
term signaling responses in roots of young soybean seed⁃
lings exposed to cadmium stress. Journal of Plant Physio⁃
logy, 2013, 170: 1585-1594
[74] Maksymiec W, Wianowska D, Dawidowicz AL, et al.
The level of jasmonic acid in Arabidopsis thaliana and
Phaseolus coccineus plants under heavy metal stress.
Journal of Plant Physiology, 2005, 162: 1338-1346
[75] Boˇcov, B, Huttov J, Mistrík I, et al. Auxin signalling
is involved in cadmium⁃induced glutathione⁃S⁃transferase
activity in barley root. Acta Physiologiae Plantarum,
2013, 35: 2685-2690
[76] Li SW, Leng Y, Feng L, et al. Involvement of abscisic
acid in regulating antioxidative defense systems and
IAA⁃oxidase activity and improving adventitious rooting
in mung bean [Vigna radiata (L.) Wilczek] seedlings
under cadmium stress. Environmental Science and Pollu⁃
tion Research, 2014, 21: 525-537
[77] Hayward AR, Coates KE, Galer AL, et al. Chelator
profiling in Deschampsia cespitosa (L.) Beauv. reveals a
Ni reaction, which is distinct from the ABA and cytokin⁃
in associated response to Cd. Plant Physiology and Bio⁃
chemistry, 2013, 64: 84-91
[78] Sharma SS, Kumar V. Responses of wild type and ab⁃
scisic acid mutants of Arabidopsis thaliana to cadmium.
Journal of Plant Physiology, 2002, 159: 1323-1327
[79] Fan SK, Fang XZ, Guan M Y, et al. Exogenous ab⁃
scisic acid application decreases cadmium accumulation
in Arabidopsis plants, which is associated with the inhi⁃
bition of IRT1⁃mediated cadmium uptake. Frontiers in
Plant Science, 2014, 5: 1-8, 721
[80] Zawoznik MS, Groppa, MD, Tomaro ML, et al. Endo⁃
genous salicylic acid potentiates cadmium⁃induced oxi⁃
dative stress in Arabidopsis thaliana. Plant Science,
2007, 173: 190-197
[81] Zhang WN, Chen WL. Role of salicylic acid in allevia⁃
ting photochemical damage and autophagic cell death in⁃
duction of cadmium stress in Arabidopsis thaliana. Pho⁃
tochemical and Photobiological Sciences, 2010, 10: 947-
955
[82] Chao YY, Chen CY, Huang WD, et al. Salicylic acid⁃
mediated hydrogen peroxide accumulation and protection
against Cd toxicity in rice leaves. Plant and Soil, 2010,
329: 327-337
[83] Ahmad P, Nabi G, Ashraf M. Cadmium⁃induced oxida⁃
tive damage in mustard [Brassica juncea (L.) Czern. &
Coss.] plants can be alleviated by salicylic acid. South
African Journal of Botany, 2011, 77: 36-44
[84] Tao S, Sun L, Ma C, et al. Reducing basal salicylic
acid enhances Arabidopsis tolerance to lead or cadmium.
Plant and Soil, 2013, 372: 309-318
[85] Maksymiec W. Effects of jasmonate and some other sig⁃
nalling factors on bean and onion growth during the ini⁃
tial phase of cadmium action. Biologia Plantarum,
2011, 55: 112-118
[86] Monteiro CC, Carvalho R, Gratão P L, et al. Biochemi⁃
cal responses of the ethylene⁃insensitive Never ripe toma⁃
to mutant subjected to cadmium and sodium stresses. En⁃
vironmental and Experimental Botany, 2011,71: 306 -
320
[87] Masood A, Iqbal N, Khan N A. Role of ethylene in alle⁃
viation of cadmium⁃induced photosynthetic capacity inhi⁃
bition by sulphur in mustard. Plant, Cell and Environ⁃
ment, 2012, 35: 524-533
[88] Yang HY, Shi GX, Li WL, et al. Exogenous spermidine
enhances Hydrocharis dubia cadmium tolerance. Russian
Journal of Plant Physiology, 2013, 60: 770-775
[89] Noriega G, Cruz DS, Batlle A, et al. Heme oxygenase is
involved in the protection exerted by jasmonic acid
against cadmium stress in soybean roots. Journal of
Plant Growth Regulation, 2012, 31: 79-89
[90] Xiang C, Oliver DJ. Glutathione metabolic genes coordi⁃
nately respond to heavy metals and jasmonic acid in Ara⁃
bidopsis. Plant Cell, 1998, 10: 1539-1550
[91] Maksymiec W, Malgorzata W, Krupa Z. Variation in
oxidative stress and photochemical activity in Arabidopsis
thaliana leaves subjected to Cd and excess copper in the
presence or absence of jasmonate and ascorbate. Chemo⁃
sphere, 2007, 66: 421-427
[92] Zhu XF, Jiang T, Wang ZW, et al. Gibberellic acid al⁃
leviates cadmium toxicity by reducing nitric oxide accu⁃
mulation and expression of IRT1 in Arabidopsis thaliana.
Journal of Hazardous Materials, 2012, 239: 302-307
[93] Himmelbach A, Yang Y, Grill E. Relay and control of
abscisic acid signaling. Current Opinion in Plant Biolo⁃
gy, 2003, 6: 470-479
[94] Yeh CM, Hsiao LJ, Huang HJ. Cadmium activates a mi⁃
togen⁃activated protein kinase gene and MBP kinases in
rice. Plant and Cell Physiology, 2004, 45: 1306-1312
[95] Agrawal GK., Rakwal R, Iwahashi H. Isolation of novel
rice multiple stress responsive MAP kinase gene,
OsMSRMK2, whose mRNA accumulates rapidly in re⁃
sponse to environmental cues. Biochemical and Biophysi⁃
cal Research Communications, 2002, 294: 1009-1016
[96] Jin CW, Mao QQ, Luo BF, et al. Mutation of mpk6 en⁃
hances cadmium tolerance in Arabidopsis plants by allevi⁃
ating oxidative stress. Plant and Soil, 2013, 371: 387-
396
1993期 张然然等: 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展
[97] Liu XM, Kim KE, Kim KC, et al. Cadmium activates
Arabidopsis MPK3 and MPK6 via accumulation of reac⁃
tive oxygen species. Phytochemistry, 2010, 71: 614-
618
[98] Ye Y, Li Z, Xing D. Nitric oxide promotes MPK6⁃
media⁃ted caspase⁃3⁃like activation in cadmium⁃
induced Arabidopsis thaliana programmed cell death.
Plant, Cell and Environment, 2013, 36: 1-15
[99] Wang PC, Du YY, Li Y, et al. Hydrogen peroxide⁃
mediated activation of MAP kinase 6 modulates nitric
oxide biosynthesis and signal transduction in Arabidop⁃
sis. Plant Cell, 2010, 22: 2981-2998
[100] Zhao FY, Hu F, Zhang SY, et al. MAPKs regulate
root growth by influencing auxin signaling and cell cy⁃
cle⁃related gene expression in cadmium⁃stressed rice.
Environmental Science and Pollution Research, 2013,
20: 5449-5460
[101] Desikan R, Cheung MK, Bright J, et al. ABA, hydro⁃
gen peroxide and nitric oxide signalling in stomatal
guard cells. Journal of Plant Physiology, 2004, 55:
205-212
[102] Sandalio LM, Rodríguez⁃Serrano M, Gupta DK, et al.
Reactive oxygen species and nitric oxide in plants un⁃
der cadmium stress: From toxicity to signaling / / Ah⁃
mad P and Prasad MNV, eds. Environmental Adapta⁃
tions and Stress Tolerance of Plants in the Era of Cli⁃
mate Change. New York: Springer, 2012: 199-215
作者简介 张然然,女,1989 年生,硕士研究生.主要从事污
染环境的植物生理生态研究. E⁃mail: 17826853811@ 163.
com
责任编辑 肖 红
张然然, 张鹏, 都韶婷. 镉毒害下植物氧化胁迫发生及其信号调控机制的研究进展. 应用生态学报, 2016, 27(3): 981-992
Zhang R⁃R, Zhang P, Du S⁃T. Oxidative stress⁃related signals and their regulation under Cd stress: A review. Chinese Journal of Ap⁃
plied Ecology, 2016, 27(3): 981-992 (in Chinese)
299 应 用 生 态 学 报 27卷