全 文 ：中国生态农业学报 2011年 1月 第 19卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2011, 19(1): 226234


* 国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2007AA021404, 2006AA10Z407)和转基因生物新品种培育科技重大专项(2009ZX08009-130B)
资助
** 通讯作者: 柴团耀(1960~), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为植物抗逆分子生物学。E-mail: tychai@gucas.ac.cn
孙涛(1979~), 男, 博士研究生, 研究方向为植物基因表达调控。E-mail: suntao07b@mails.gucas.ac.cn
收稿日期: 2010-05-01 接受日期: 2010-08-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00226
印度芥菜(Brassica juncea L.)重金属耐性机理研究进展*
孙 涛 1 张玉秀 2 柴团耀 1**
(1. 中国科学院研究生院生命科学学院 北京 100049; 2. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院 北京 100083)
摘 要 印度芥菜可富集/忍耐 Cd、Zn 等多种重金属, 是研究植物修复技术的一种模式植物。高浓度的重金
属离子会改变植物的基因表达、细胞形态、细胞结构, 最终使植物生长受抑, 甚至死亡。印度芥菜高效的抗氧
化系统、损伤修复系统以及对重金属的螯合、区域化可部分解除重金属的毒性, 缓解重金属离子的毒害作用。
利用基因工程技术在印度芥菜中导入重金属耐性及运输相关基因可大幅度提高其重金属富集能力, 在重金属
污染修复方面具有广阔的应用前景。
关键词 印度芥菜 重金属胁迫 超富集植物 植物修复技术 抗氧化系统
中图分类号: X53 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)01-0226-09
Research progress on tolerance of Indian mustard (Brassica juncea L.)
to heavy metal
SUN Tao1, ZHANG Yu-Xiu2, CHAI Tuan-Yao1
(1. College of Life Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. School of Chemical
and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)
Abstract Much research has been conducted on the mechanism of phytoremediation of heavy metal pollution by Indian mustard.
Indian mustard plants typically have high heavy metal (e.g. Zn and Cd) accumulation capacity. Changes had been noted in plant gene
expression, cell morphology and cell structure under high heavy metal concentration, which eventually resulted in growth inhibition
and even death. In Indian mustard, high efficient antioxidant system, injury-repairing system and chelation, compartmentalization for
heavy metals could detoxicate the toxicity of heavy metals and alleviate the injury induced by heavy metals. Transgenic Indian mus-
tard with tolerance or transport genes improved heavy metal accumulation ability. This implied that Indian mustard had a great poten-
tial for phytoremediation of heavy metal contaminated soils.
Key words Indian mustard, Heavy metal stress, Hyperaccumulator, Phytoremediation, Antioxidant system
(Received May 1, 2010; accepted Aug. 13, 2010)
植物对非生物胁迫所具有的耐性可使其适应一
些极端苛刻的环境, 土壤重金属污染就是植物所必
须面临的一种非生物胁迫[1]。一些特定的植物能在
重金属污染的土壤中正常生长, 且体内能富集高浓
度的重金属离子。1977年新西兰科学家 Brooks等首
先提出“超富集植物(Hyperaccumulator)”的概念[2], 用
来描述那些茎叶部累积 Ni 可达 1 000 g·g1(DW)
以上的植物。鉴于重金属类型不同, 植物富集重金
属的分类标准也应有所不同, 一般定义重金属超富
集植物为比普通植物累积高 100 倍以上某种重金属
的植物, 即至少能累积 10 g·g1 以上的 Hg、100
g·g1以上的 Cd、1 000 g·g1以上的 Co、Ni、
Cu和 Pb及 10 000 g·g1以上的 Mn和 Zn[3]。重金
属超富集植物(Heavy metal hyperaccumulator)的发
现和研究促进了植物修复技术(Phytoremediation)的
产生。
重金属污染的植物修复技术是利用重金属超富
集植物吸收土壤中的重金属, 通过收割植物带走重
金属, 进而将重金属提纯成为有用的工业原料来达
到清除土壤污染和将有害物质变害为宝的双重目
第 1期 孙 涛等: 印度芥菜(Brassica juncea L.)重金属耐性机理研究进展 227


的[4]。因其具有廉价、清洁和生态友好等巨大优势,
植物修复技术正成为目前研究的热点, 在进入 21世
纪后得到了快速发展, 成为绿色环境修复技术之一,
其中重金属超富集植物的开发利用是该技术的核心
因素。印度芥菜(Brassica juncea L.)是一种高产、生
长快的双二倍体十字花科植物 , 染色体条数为
2n=36[5], 对 Cd、Cr、Ni、Zn、Cu、Au、Se等多种
重金属都具有较高的富集能力, 被视为一种可以从
污染土壤中“提取(Phytoextraction)”重金属的植物[6]。
与其他重金属富集植物相比, 印度芥菜有着独特的
重金属富集特性, 多年的研究结果也显示印度芥菜
存在特定的分子、生理机制和结构特征以适应高浓
度的重金属环境及在体内富集有害重金属离子。
1 印度芥菜可富集多种重金属
印度芥菜对多种重金属均有富集功能, 尤其对
Zn、Cd的富集最为明显。液体培养的印度芥菜地上
部分 Cd 的生物富集指数(干物质中 Cd 浓度/溶液中
的 Cd浓度)最高可达 1 178[7], 土培的印度芥菜体内
Cd 的累积系数(植物地上部 Cd 含量与土壤中 Cd 含
量的比值)可超过 1[8]。无论水培还是土培, 在一定浓
度范围内印度芥菜体内的 Cd含量会随 Cd处理浓度
的增加而增加, 由于培养方法、处理方法以及所用
印度芥菜生态型的差异, 不同试验得出的印度芥菜
Cd 的富集量也不尽相同。在众多试验结果中, 根部
富集量最高接近 5 000 g·g1(DW), 茎叶部富集量
最高达 1 500 g·g1(DW), 但对新旧叶片富集量的
高低有相反的试验结果[7,913]。
印度芥菜对重金属的吸收都面临一个问题, 即
富集的重金属大部分滞留在根部, 只有很少一部分
运输到地上部分, 印度芥菜对 As 和 Pb 的富集同样
如此[1415]。但印度芥菜根部和地上部分对 Ni的富集
能力没有明显差异[16]。印度芥菜对 Se的吸收比较特
殊, 20 µmol·L1的 Se处理 8 d后, 吸收值(富集量加
挥发量)可达到 1 mg, 其中 1/2以上被挥发[17]。除上述
重金属元素, 印度芥菜还可以富集有毒重金属 Cr[18]、
Hg[19]及放射性元素 U、Ra[2021]、Cs和 Sr[22]等。
试验数据显示在不添加螯合剂的情况下, 印度
芥菜富集的重金属大部分积累在根部并没有向地上
部分运输, 这是印度芥菜应用于污染土壤修复所必
须克服的一大瓶颈问题。依据 Baker 等[23]提出的超
富集植物应满足 S/R>1(S 和 R 分别指植物地上部和
根部重金属的含量)这一标准, 还不能把印度芥菜视
为重金属超富集植物, 但 Diwan 等[18]认为 Pusa Jai
Kisan 生态型的印度芥菜可作为重金属 Cr 的超富集
植物。尽管印度芥菜是否可看作重金属超富集植物
还有很大争议, 但总的来说其作为多种重金属的富
集植物是毋庸置疑的, 由于其生物量大、生长迅速
且可富集多种重金属, 因此可通过基因操作技术改
造其成为重金属超富集植物并应用于重金属污染的
植物修复。
2 重金属胁迫抑制印度芥菜的生长
2.1 重金属胁迫降低印度芥菜的生长
重金属处理后, 植物最明显的表型是叶片出现
毒性症状及植物叶、根部的生长受到抑制, 其损伤
程度与重金属处理浓度相关。土培条件下, 在 Cd含
量超过 100 mg·kg1环境下生长 10 d后的印度芥菜
幼嫩叶片会出现黄萎和白点症状, 老叶会出现卷曲
现象, Cd含量高于 150 mg·kg1时可显著影响根部
的干物质量[24]。水培条件下, 5~200 µmol·L1的 Cd
处理可抑制印度芥菜叶片和根部的生长以及降低地
上部分的干物质量 [9,12,2526], 并且根部受到的影响
大于地上部分。Seth 等[13]的试验结果却显示, 低浓
度的 Cd (20 µmol·L1)处理不但没有降低植物的干
物质, 反而会使根部和地上部的干物质量增加, 超
过 160 µmol·L1方可影响植物的干物质量。笔者比
较了 Cd 处理对印度芥菜、天蓝遏蓝菜 (Thlaspi
caerulescens)及烟草生长的影响, 发现 200 µmol·L1
Cd 处理 4 d 时对印度芥菜生长的抑制要小于烟草,
说明印度芥菜比烟草有更强的 Cd耐受性[27]。
Zn 是植物生长所必需的微量元素 , 低浓度的
Zn 处理对印度芥菜的生长不会造成显著影响, 反而
会促进植物生长[28], 同时植物相对含水量、干物质
重量及株高的增加都未发生明显变化。Kumar 等[6]
也认为土壤中的 Zn含量低于 100 mg·L1时不会对
印度芥菜造成生理毒害, 但高浓度 Zn (100 mmol·L1)
处理可明显降低植物的相对含水量、干物质量及株
高。其他重金属离子如 Pb[29]、Hg[30]、Cr[31]和放射
性元素 Cs 和 Sr[22]处理也能导致印度芥菜叶片相对
含水量、叶片面积的降低和根部生长的受抑, 有人
认为重金属处理导致植物生物量的下降可能与重金
属对光合作用系统的损伤有关[12]。
2.2 重金属胁迫降低印度芥菜的光合和呼吸作用
重金属离子可通过改变细胞结构和细胞代谢过
程等多方面因素影响印度芥菜的光合作用和呼吸作
用。10 µmol·L1的 Cd处理可明显降低印度芥菜幼
嫩叶片的叶绿素含量; 25 µmol·L1 Cd处理 4 d后可
降低植物的呼吸作用, 但对光合作用没有显著影响,
Haag-Kerwer等[9]认为这可能是由于植物络合素 PCs
含量的增加使叶片细胞内 Cd2+浓度维持在有害浓度
以下, 从而降低了 Cd的毒性。也有试验显示低于 20
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µmol·L1的 Cd 可增加印度芥菜叶片的叶绿素总含
量及叶绿素 a、叶绿素 b 的含量[13]。Mobin 等[32]比
较了 Cd 对两个不同生态型(Varuna, RH-30)印度芥
菜光合及呼吸作用的影响 , 发现 Cd 对生态型
Varuna光合速率的抑制可达 50%; 但Cd处理会增强
RH-30的呼吸速率和气孔导度, 同时 Cd胁迫还能激
活碳酸酐酶活性, 降低 Rubisco 活性及叶绿素含量,
因此 Cd 胁迫对光合作用的影响被认为可能具有依
赖气孔和独立于气孔的两个途径。显微观察结果还
显示重金属处理可改变叶绿体及气孔的数目和形态,
进而影响植物光合作用 [30,33], 这与盐胁迫的结果相
似, 说明重金属胁迫和水胁迫、盐胁迫可能通过相
同的途径影响植物的光合作用[34]。
高浓度 Zn (100 mmol·L1)处理也会改变印度芥
菜叶片的细胞结构, 扫描电镜结果显示与对照相比
处理后植物叶片的栅栏组织、表皮细胞明显缩小 ,
海绵和栅栏薄壁组织细胞发生凋亡, 细胞间隙空间
缩小以及胞内淀粉含量减少, 而根部韧皮部和木质
部细胞壁的厚度明显增加 , 但 Cd (10 mmol·L1
CdCl2)处理没有发现明显的改变[11], 表明 Cd 和 Zn
对印度芥菜可能有着不同的生理毒害效应。重金属
Hg 及放射性元素 Cs 处理也可降低印度芥菜叶片中
叶绿体数目, 改变栅栏和海绵组织的细胞结构[22,30],
进而影响植物的光合作用。
2.3 重金属胁迫对印度芥菜体内活性氧水平及膜
结构的影响
重金属胁迫会诱导活性氧(Reactive oxygen spe-
cies, ROS)的产生, ROS可以氧化蛋白质、脂质、多
糖和核酸等生物大分子, 造成生物膜透性增大、电
导率增加、酶活性丧失及基因突变等伤害[35]。植物
细胞质膜首先接触到重金属, 因此重金属首先对细
胞质膜造成伤害。重金属浓度越高, 胁迫时间越长,
对植物细胞质膜的选择透性、组成、结构和生理生
化等的伤害就越大。Schützendübel 等[36]认为, Cd2+
进入细胞溶质后首先引起细胞抗氧化能力瞬时缺失,
如引起 AsA-GSH 循环两个关键酶 GR 和 APX 的瞬
时失活, 启动 H2O2的积累, 进而诱导抗氧化系统的
二次防御作用。Cu 和 Cd 等重金属处理可诱导印度
芥菜体内 H2O2等活性氧分子水平的升高, 增加膜质
过氧化水平, 破坏膜系统从而增加 MDA 含量和升
高电导率[32], 且电导率的增加与 MDA 含量及重金
属浓度呈正相关[27], 但低于 50 µmol·L1Cd浓度处
理下 , MDA 含量几乎不发生变化 [12]。在 5~200
µmol·L1 Cd 浓度范围内 , 印度芥菜幼苗体内的
H2O2 水平随 Cd 浓度升高而增加, 并且相同处理条
件下 H2O2水平低于非富集植物烟草体内的 H2O2含
量 [27], 与 Cu 处理相比 , Cd 胁迫能产生更多的
H2O2[26,37]。
重金属除了可增加膜脂的过氧化水平外, 也可
直接影响生物膜膜脂的含量和组成。Cd胁迫可增加
印度芥菜叶片中的脂质含量, 但对脂肪酸组成没有
影响。重金属处理可显著降低植物叶绿体脂质单半
乳糖基二酰基甘油、二半乳糖基二脂酰基甘油、硫
脂和磷脂酰甘油含量, 但叶绿体外脂质如卵磷脂及
磷脂酰乙醇胺含量却明显增加。此外, 十六碳三烯
酸、亚麻酸以及棕榈酸这些多不饱和脂肪酸含量有
所降低, 因此Cd胁迫会首先影响含有大量多不饱和
脂肪酸的叶绿体脂质, 与 Cd敏感植物相比, 印度芥
菜的膜脂组成和含量更加稳定[12]。
3 印度芥菜的重金属耐性及解毒机制
植物在受到重金属胁迫时, 其生长状况发生变
化的一个重要指标就是由正常代谢转变为防御代
谢。一方面, 植物体内产生一些修复蛋白、运载蛋
白和螯合蛋白, 对重金属胁迫造成的伤害进行修复
和解毒; 另一方面, 植物体内会产生一些有机小分
子溶质、氨基酸、小肽和蛋白质等, 用以维持细胞
的正常渗透压。印度芥菜可能的重金属解毒性机制
概括如下(图 1)。


图 1 印度芥菜重金属耐性及解毒的细胞学机制
Fig. 1 Potential cellular mechanisms available for metal de-
toxification and tolerance in Brassica juncea
1: 根部细胞壁对重金属的滞留作用及外排作用 Binding to
cell wall and root exudates; 2: 对损伤细胞壁进行修复以维持细胞壁
正常功能 Repair of cell wall; 3: 金属转运蛋白转运重金属离子至质
外体 Efflux into apoplast by heavy metal transportor; 4: 修复和保护
细胞质膜 Repair and protection of plasma membrane; 5: 多种配体螯
合重金属离子 Chelation in cytosol by various ligands; 6: 抗氧化系统
清除活性氧 Scavenging active oxygen by antioxidant system; 7: 区域
化作用, 即把重金属离子复合物或自由重金属离子运输至液泡内保
存 Transport and accumulation of metals in vacuole.

3.1 金属离子的区域化作用
在组织水平上, 超富集植物吸收的重金属离子
大多积累在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中, 一
定程度上减轻重金属离子对叶片细胞结构及生理功
能的伤害; 在细胞水平, 重金属超富集植物可使富
集的重金属储存在液泡中, 缓解重金属对细胞质及
第 1期 孙 涛等: 印度芥菜(Brassica juncea L.)重金属耐性机理研究进展 229


细胞器中各种生理代谢活动的伤害[38]。植物细胞质
膜对离子的输出以及把有害重金属离子转运到液泡
是减少胞内毒性重金属离子水平的重要手段, 在重
金属耐性中具有重要的作用。植物向液泡内转运重金
属也称液泡区室化作用(Vacuole compartmentation),
重金属超富集植物也可把重金属储存在叶片表皮的
表皮毛(Trichomes)中, 避免重金属对叶肉细胞的直
接伤害。印度芥菜叶片表皮毛中的 Cd含量比叶片组
织高 43 倍, 把 Cd 储存在叶片的表皮毛中可能是主
要的解毒机制之一, 可避免重金属对光合作用的损
害[7]。与对照相比, 10 mmol·L1Cd处理的印度芥菜
根部的表皮和皮层细胞中液泡数目明显增加, 这可
能表明印度芥菜可增加根部液泡数目以暂时储存重
金属离子。此外, Cd处理可使根部变细和侧根增多,
这也可能与重金属耐性相关[11]。在土壤重金属含量
较低情况下, 大多数重金属离子被发现首先在印度
芥菜根部富集, 而只有小部分运输到地上部分, 这
可能表明印度芥菜在根部具有截留重金属的能力 ,
从而避免高浓度重金属进入地上部分产生更严重的
生理毒害作用。
3.2 高效的抗氧化系统
与重金属敏感型植物相比重金属富集植物具有
高效的抗氧化防御系统, 在 20 mg·L1Cd2+培养液
中, 烟草生长明显受到抑制, H2O2含量增加 5倍; 而
超富集植物天蓝遏蓝菜则维持正常生长, H2O2 也控
制在较低的非毒性水平。同时天蓝遏蓝菜还表现出
对超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)、过
氧化氢酶 (Catalase, CAT)活性的强诱导响应 , 其
SOD活性比烟草高 2倍以上[39]。笔者的试验结果表
明, 200 µmol·L1 Cd处理 1~4 d后重金属富集植物
天蓝遏蓝菜和印度芥菜体内的 SOD、CAT、过氧化
物酶(Peroxidase, POD)活性均显著增加 , 非富集植
物烟草体内的 SOD活性虽然也有增加, 但无论是正
常条件下或重金属胁迫下都明显低于富集植物, 并
且 CAT活性随着处理时间延长急剧下降。这说明重
金属富集植物有较高的 SOD 本底活性以及高效的
CAT酶活性启动机制。同时还发现印度芥菜的 POD
对 Cd 胁迫反应最为敏感, 但处理 1 d 后增势趋缓,
这可能是由于其他抗氧化酶发挥作用所致 [27]。
Nouairi等[40]比较了印度芥菜与 Brassica napus两种
芸薹属植物对重金属的不同耐性 , 发现低于 50
µmol·L1 Cd 浓度处理下, 印度芥菜体内的抗氧化
酶类活性几乎不发生变化或只有轻微变化 , 但
B. napus 体内各种抗氧化酶类活性却急剧下降, 说
明印度芥菜比 B. napus有更高的重金属耐性。
不同重金属胁迫下印度芥菜体内抗氧化酶系统
各组分的表现也不同, 如 Cu 处理后印度芥菜体内
SOD、POD、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate per-
oxidase, APX)等活性均比对照高, CAT 活性降低,
推测 Cu 可能取代了酶的辅因子从而使其活性降低,
也可能是 H2O2的累积抑制了 CAT 活性, 但 H2O2含
量会随着 Cu处理时间的延长和离子浓度的增加而下
降, 这可能是植物抗氧化酶系统发挥作用所致[27]。
As 处理也能提高植物体内的 SOD、POD、APX 活
性, 但 CAT 活性没有明显变化[41]。APX 对 Cr 处理
反应最为敏感, 但随着 Cr浓度的增加, SOD和 CAT
活性虽然仍高于对照但出现降低趋势[31]。印度芥菜
较高的 SOD本底活性以及胁迫下抗氧化系统快速、
高效地启动可能是其缓解氧化胁迫带来的伤害进而
耐受高浓度重金属离子的主要机制。
3.3 重金属螯合系统
植物对进入细胞内的重金属可通过区域化、形
成沉淀及螯合方式解毒[4243], 螯合是植物对细胞内
重金属解毒的主要方式之一, 谷胱甘肽(GSH)、草酸
(Oxalic acid)、组氨酸(His)、柠檬酸盐(Citrate)和非
蛋白硫醇等小分子物质及金属螯合蛋白都能螯合重
金属 , 金属螯合蛋白包括基因编码的金属硫蛋白
(Metallothioneins, MTs)和酶促合成的植物络合素
(Phytochelatins, PCs)。
Speiser等[44]发现印度芥菜体内存在两种形式的
PCs 与 Cd 的复合物, 包括贫硫的低分子量复合物
(Low molecular weight, LMW)和富硫的高分子量复
合物(High molecular weight, HMW)。Salt等[45]的报
告指出, 随着Cd处理时间的延长印度芥菜组织内与
PCs结合的 Cd 从占总 Cd 的 34%增加到 60%, 并且
试验证明 Cd 处理能增加印度芥菜体内的 PCs 及非
蛋白硫醇含量 , 且与重金属离子浓度相关 [13,40], 表
明印度芥菜体内的 Cd 可能主要与 PCs 结合。PCs
不是基因的直接翻译产物, 而是以 GSH 为底物, 由
植物络合素合酶(Phytochelatin synthase, PCS)催化合
成的小分子多肽。Heiss等[46]首次从印度芥菜中克隆
了植物络合素合酶基因 , 并将其命名为 BjPCS1。
BjPCS1蛋白在根中所占比例最大, 节间和叶柄大于
叶片, 延长Cd处理时间可显著改变印度芥菜叶片的
BjPCS1 含量, 但根部没有明显变化, 在烟草中过量
表达该基因可显著改善植株的重金属抗性[47]。MTs
是富含 Cys 残基的低分子量金属结合蛋白, 可通过
Cys 残基上的巯基与金属离子结合而形成无毒或低
毒络合物, 从而消除重金属的毒害作用。印度芥菜
中 MTs 也是重要的重金属螯合肽, 在拟南芥和大肠
杆菌中表达印度芥菜 BjMT2蛋白可提高拟南芥和大
肠杆菌对 Cu和 Cd的耐性[48]。
230 中国生态农业学报 2011 第 19卷


3.4 多基因参与重金属胁迫响应过程
在重金属处理下, 印度芥菜体内的一些基因被
诱导表达或上调表达, 也有一些基因的表达会被抑
制 , 如与 PC 合成相关的 γ-谷氨酰半胱氨酸合成
酶[49]、谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase)[13]、
PC 合酶 [46]以及与耐性相关的 ATP 硫化酶 (ATP
sulfurylase, APS)、磷酸腺苷还原酶 (adenosine 5
phosphosulfate reductase, APR)基因等都因重金属处
理而表达量增加[50]。2005年中国科学院研究生院生
命科学学院和国外一个实验室分别报道了利用荧光
标记 mRNA 差异显示技术(Fluorescent mRNA dif-
ferential display, FDD)和 cDNA-AFLP技术分离印度
芥菜中 Cd的响应基因[25,51], 这些基因可分为转录因
子、转运蛋白、光合作用相关、细胞代谢相关和表
达调控这几大类, 其中生长素早期响应基因 GH3 和
锌指类 C3HC4基因在两个试验结果中都有发现。植
物 GH3基因是一类生长素早期响应基因家族, 与植
物体内的植物激素信号途径相关, 近来的研究结果
显示该基因家族可能参与植物的胁迫适应性[52], 笔
者还发现印度芥菜的一个延展蛋白(Expansin)基因
的表达受重金属胁迫的调控, 也可能与印度芥菜的
重金属胁迫适应性相关。
研究发现, 重金属胁迫还能诱导硫氧还蛋白、
泛肽(Ubiquitin)、热休克蛋白(HSP)、DnaJ-like蛋白、
几丁质酶、β-1,3葡聚糖酶、富含脯氨酸细胞壁蛋白
(PRP)、富含甘氨酸细胞壁蛋白(GRP)和病原相关蛋
白(PR)等基因的表达, 这些胁迫蛋白质协同作用可
能在清除重金属变性蛋白质、维持细胞的正常代谢
和提高细胞的重金属抗性方面有重要作用[53]。重金
属处理可上调印度芥菜线粒体乙二醛酶ⅡBjglyII,
其参与了 GSH再生过程, 该基因的表达可能与重金
属耐性相关[54], 在烟草中过量表达印度芥菜钙依赖
性磷脂结合蛋白 (Annexin) AnnBj1、水通道蛋白
BjPIP1 以及脱水蛋白 BjDHNs 均可提高烟草对生物
及非生物胁迫的抗性[5557]。最新研究结果还显示印
度芥菜的 Oxidative stress 3基因 BjOXS3可提高酵母
对Cd和氧化胁迫的耐性, 该蛋白含有硫醇转移酶或
乙酰基转移酶的催化位点, 可能参与了胁迫下对染
色质的改造[58]。以上结果说明印度芥菜可启动体内
多种机制以应对重金属污染环境, 这些机制包括重
金属螯合和区域化机制、重金属生理毒性缓解和解除
机制以及对重金属造成的损伤进行快速修复的机制。
4 印度芥菜重金属吸收、转运机制
植物对金属离子的吸收大多符合自由离子活性
模式(Free-ion activity model, FIAM), 金属的吸收不
仅取决于植物本身, 还与土壤中金属的活性状态有
关 [59], 酸性条件下金属阳离子移动性最好, 而提高
土壤 pH 会降低其生物利用效率(Bioavailability)。植
物根系及根际微生物分泌的有机物(特别是有机酸)能
螯合重金属或酸化根际, 从而促进土壤重金属的溶
解和根系的吸收[6061]。有研究表明印度芥菜根系分泌
物能活化土壤中的难溶态 Cd促进 Cd的吸收[8,10]。
根际的金属离子可能通过两种途径进入根部的
木质部即共质体途径 (Symplast)和质外体途径
(Apoplast)。共质体途径是通过质膜转运蛋白把重金
属离子输入根部细胞, 然后截留在根部细胞液泡内
或通过共质体途径运输到木质部, 最后到达地上部
分。因此, 细胞膜转运系统在金属吸收和转运过程
中发挥了重要作用。随着遗传学和分子生物学技术
的发展, 目前许多与金属阳离子转运相关的植物质
膜转运蛋白家族已被克隆和鉴定 , 包括重金属
ATPases家族(Heavy metal ATPases, HMA)、Nramps
家族 (Natural resistance-associated macrophage pro-
teins)、CDFs家族(Cation diffusion facilitators)、ZIP
家族以及阳离子反向运输蛋白 (Cation antiport-
ers)[62]。但关于印度芥菜重金属转运蛋白的研究非常
滞后, 已有的研究工作大都集中在对 CDF家族转运
蛋白的功能研究。2005年中国科学院研究生院生命
科学学院报道了利用 PECP 的方法 (PCR-enriched
cDNA pool method)从 Cd诱导的印度芥菜叶片中分
离得到 4个 CDF家族转运蛋白基因 BjCET1-4[51], 并
对其中的 BjCET2 的功能进行了初步研究, 结果显
示 BjCET2 主要在根部表达且受重金属胁迫上调表
达, 低温、干旱和盐胁迫对其表达量没有影响。激
光共聚焦显微镜(Confocal laser scanning microscopy)
结果显示 BjCET2︰GFP定位于细胞质膜上, 过量表
达该基因可提高植物的重金属耐性和重金属含量 ,
抑制该基因表达会降低植物的重金属耐性和含量[57]。
Muthukumar等[63]的试验结果显示在 Ni2+、Cd2+存在
条件下, 印度芥菜另外一个 CDF 家族基因 BjMTP1
受其启动子区域调控在根部特异表达且定位于根部
木质部伴胞上。上述两个试验都说明 CDF蛋白参与
了重金属离子从根部到地上部分的运输以及在叶片
中的富集过程。此外, 中国科学院研究生院生命科
学学院克隆了印度芥菜 YSL 家族基因 BjYSL1 以及
HMA家族基因 BjHMA4 (EU418580), 并正对其功能
进行验证。
正常情况下, 印度芥菜吸收的重金属离子大多
滞留在根部, 只有部分运输到茎叶部, 但在添加螯
合剂如 EDTA 的情况下, 印度芥菜体内向上的重金
属运输会大幅增加 [59,6465], 并且试验还显示在植物
第 1期 孙 涛等: 印度芥菜(Brassica juncea L.)重金属耐性机理研究进展 231


体内重金属是以 EDTA-Metal的形式转运和富集的。
这带来一个新的问题即 EDTA-Metal 是如何运输的,
由于有较多的亲水基团, EDTA-Metal是不可能通过
质膜进行转运的, 因此推测可能存在质外体运输途
径[59], 但内皮层凯氏带的存在是 EDTA-Metal 运输
的障碍 , Yeo 等 [66]认为发育不完全的根尖为
EDTA-Metal运输到木质部提供了通路。重金属离子
到达地上部分后在叶片的分配以及在表皮毛的储存
也都存在质外体途径[67]。
5 利用转基因技术增强印度芥菜对重金属
的耐性, 提高富集量
目前自然界中已发现的绝大多数重金属富集或
超富集植物往往生长周期长、生物量低、植株矮小,
因而限制了其对污染土壤中重金属的移除效率, 也
不利于大面积的机械化操作[68]。随着在细胞和分子
水平上对植物耐受和富集重金属机理的认识及相关
基因的克隆, 应用转基因技术提高植物对重金属的
耐性和富集量已取得一些重要进展, 一些转基因植
物表现出金属离子富集量的增加, 有的已经在污染
土壤的生态恢复中得到初步应用[69]。
作为重金属修复技术候选物种之一, 目前对印
度芥菜转基因操作主要应用以下几个类型的基因 :
PCs 合酶基因或与 PCs 合成相关的酶类的基因, 非
蛋白硫醇生成相关基因, 与 As、Se富集和耐性相关
的基因以及转运蛋白基因(表 1)。这些研究结果有助
于全面了解印度芥菜的重金属耐性、解毒和转运机
制。Bennett 等[69]把分别过量表达 ECS、GS 和 APS
的转基因印度芥菜种植在重金属污染的土壤上可显
著降低土壤中重金属的含量, 约 6%的 Zn 和 25%的
Cd被转基因印度芥菜移除。表明转基因印度芥菜可
用于重金属污染土壤的植物修复过程 , 笔者把
BjCET-2 基因转入印度芥菜使其过表达, ICP-MS 测
试结果显示转基因促进了重金属离子 Cd、Zn 的向
上运输, 增加了叶片内的重金属含量[57]。Dushenkov
等 [70]利用对称和非对称体细胞杂交技术 (Somatic
hybridization)融合印度芥菜胚轴原生质体和遏蓝菜
叶肉原生质体产生的杂交后代表现为印度芥菜形态,
但其基因组只与遏蓝菜的重复序列有杂交信号。试
验结果显示非对称体细胞杂交产生的植株具有更高
的重金属富集能力和抵抗毒性重金属的能力, 其生
物量也有提高。
6 展望
印度芥菜是较早发现的重金属富集植物, 并在
重金属污染土壤修复过程中得到实际应用, 但印度
芥菜大规模应用于植物修复过程还存在一定缺陷。
最大的问题就是其富集的重金属多累积在根部只有
很少部分向上运输, 添加螯合剂如 EDTA、柠檬酸、
硫氰酸铵和二巯基丁二酸可增强重金属的向上运
输[20,8284], 但又增加了土壤修复的成本, 而且也存
在一定的生态风险, 因此有人认为印度芥菜不具备
植物提取(Phytoextraction)的能力, 不能用于植物修
复 [4], 但印度芥菜对高浓度重金属离子的耐性及较
高的吸收能力是不可否认的。近年来随着其他一些
重金属富集植物的发现, 对印度芥菜的研究已经滞
后, 有几个方面的工作亟需进行: 利用基因芯片、基
因组学和蛋白质组学的最新技术对印度芥菜重金属
富集和耐性基因进行系统性的研究, 确定印度芥菜
重金属富集和耐性机制; 利用重金属耐性和富集能

表 1 印度芥菜转基因研究进展
Tab. 1 Research progress of genetic manipulation in Indian mustard
基因名称
Gene
基因来源
Source
基因产物
Product
基因功能
Function
转基因特征
Feature in transgenic plant
参考文献
Reference
gshⅡ Escherichia. coli GSH合成酶 GSH合成 GSH增加, 重金属耐性提高 [70]
gshl E. coli γ-Glu-Cys合成酶 γ-Glu-Cys合成 PCs、GSH、硫醇含量增加, 重金属耐性增加 [71]
AtAPS Arabidopsis thaliana ATP硫酸化酶 磷硫酸腺苷生成 Se和其他金属富集量和耐性增加 [7273]
GR E. coli 谷胱甘肽还原酶 还原 GSSH生成 GSH Cd耐性增加 [74]
γ-CGS Arabidopsis thaliana 胱硫醚 γ合成酶 半胱氨酸硫醚合成 提高 Se挥发和耐性 [75]
SMT Astragalus bisulcatus 硒代半胱氨酸甲基转移酶 甲基化硒代半胱氨酸, 生成甲基硒代半胱氨酸 Se富集量和耐性增加 [76]
AtAPS
+SMT
Arabidopsis thaliana
Astragalus bisulcatus
ATP硫酸化酶; 硒代半胱
氨酸甲基转移酶
磷硫酸腺苷生成; 生
成甲基硒代半胱氨酸 Se富集量和耐性增加 [77]
SHST1 Stylosanthes hamata 高亲和性硫酸盐转运蛋白 硫酸盐转运 提高重金属耐性和富集量 [78]
glucanase Tomato 葡聚糖酶 水解葡聚糖 抑制病菌生长 [79]
AtPCS1 Arabidopsis thaliana 植物络合素合酶 PCs合成 PCs含量增加, 重金属耐性增加 [8081]
BjCET-2 Brassica juncea L. 阳离子转运蛋白 金属离子运输 提高 Zn/Cd耐性和叶片富集量 [57]
232 中国生态农业学报 2011 第 19卷


力不同的印度芥菜生态型进行数量性状位点(QTL)
定位, 分离和鉴定其主效基因; 印度芥菜对重金属
的富集能力归根到底取决于其金属吸收和转运系统,
但印度芥菜这方面的工作尤其滞后, 目前只有中国
科学院研究生院生命科学学院对印度芥菜阳离子转
运蛋白 CE(Cation efflux)家族基因 BjCET1-4开展了
部分研究工作[51,57]。印度芥菜生物量大、生长迅速
并且和一些重金属超富集植物的亲缘关系较近, 因
此选择印度芥菜作为受体材料通过基因工程手段培
育重金属超富集植物用于污染土壤的植物修复具有
广阔的应用前景 [63,85], 而利用转基因技术提高植物
的重金属耐性和富集能力也是发展植物修复技术的
关键[86]。
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