铝对植物毒害及植物抗铝作用机理精.docx

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铝对植物毒害及植物抗铝作用机理精

第20卷第5期2000年9月生　　态　　学　　报Vol.20,No.5Sept.,2000铝对植物毒害及植物抗铝作用机理

孔繁翔1,桑伟莲1,蒋　新2,王连生1

（11南京大学环境学院　污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京　210093;21中国科学院南京土壤研究所,南京　210008

基金项目:

国家自然科学基金资助项目（39470150和国家重点基础发展规划资助项目（G199********3

收稿日期:

1998206219;修订日期:

1999206210

作者简介:

孔繁翔,（1957~,男,江苏人,博士,副教授。

主要从事环境生物学的研究和教学工作。

摘要:

综述了有关铝对植物的毒害及植物耐铝机理的研究成果。

铝可以从植物的不同生物水平上影响植物的生长;不同植物耐受铝的能力不同,耐受性植物可在机体内形成各种耐受机制,以抵抗环境中铝的压力。

态系统恢复具有应用前景。

关键词:

铝;毒性;植物耐受性

AluminumtoxicityKONGFan1,2Lian2,ANGLian2Sheng1　（StateKey

LofrcesSoftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,Ch;ofS,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

:

Tispaperreviewsthestudiesaboutaluminumtoxicityandtoleranceinplants.Aluminumcan

affectthegrowthofplantsateverylevel

.Differentplantshavedifferenttolerancetoaluminum,andtheresistantplantscanformsomemechanismstoadapttothestressofaluminum.

Keywords:

aluminum;phytoxicity;tolerance

文章编号:

100020933（20000220855208　中图分类号:

Q142,Q94811,X171　文献标识码:

A

　　酸雨是世界环境问题之一,亦是我国的重大环境问题。

酸雨导致土壤酸化,提高有毒金属离子浓度,毒害森林和农作物,已对世界经济产生了不可估量的损失,对人类生存也构成了严重威胁。

由酸雨引起地球之肺——巴西亚玛逊热带雨林的大面积毁坏,以及酸雨严重地区的农作物减产已引起世界各国政治家和科学家的关注。

但是,从目前的发展趋势来看,这种状况在短时期内很难得到明显的改善。

因为土壤一旦受到金属离子的污染,很难消除;而引起酸雨的大气污染在世界范围内仍未得到有效的控制。

因此,在研究酸沉降对生物影响的基础上,提出有效对策,将是人类面临的一项长期并带有普遍性的任务。

面临如此巨大的环境变化,植物为了生存,就要力求使自身适合于这种变化,适应是植物在生长发育过程中对逆境所形成的一定程度抵抗力。

适应可以发生在形态结构上,这是达尔文学说的基本思想,并已得到了充分的事实证据;而生理生化上的适应,即分子水平上发生的相应变化研究,则仅是在近几十年才有了进展。

目前,国内外学者已经筛选出许多对Al有耐性的森林树种和农作物品种,前者如松树、纸桦皮、红树、茶树等,后者小麦、玉米、水稻、马铃薯、大豆、高粱等。

选择抗Al植物,进一步研究植物对土壤酸化适应的分子生物学基础,可以掌握植物对恶劣环境的反应规律,有目的地寻找抗性强的树木和农作物品种,这在分子水平上阐明环境与生物的相互作用关系,进一步认识酸雨的生物学效应,提出受损生态系统恢复的有效对策均有理论意义和实际应用前景。

国内外有关铝对植物的毒性和植物的抗性研究已有许多报道,人们试图在分子生物学水平上进行研究,同时筛选出抗性较强的植物以适应环境。

但这一领域还有许多基础理论研究亟待加强。

本文总结了近年来的研究成果,以探讨铝对植物的作用机理及植物的抗铝机制,为受损土壤环境中的生态系统恢复提供

理论根据和技术储备。

1　环境中铝的化学形态

铝是地壳中含量最丰富的金属元素,占其质量的7%左右。

在自然条件下,它主要以铝硅酸盐形式存在,生物可利用性很小。

但近年来由于农业化肥的使用及酸雨影响,使土壤酸化,铝的溶出增加[1]。

大多数植物对铝极为敏感,因而铝成为酸性土壤中抑制植物生长的一个重要因素[2]。

环境中铝的化学形态随着环境条件的不同而异,这是限制铝作用机理研究的一个重要因素。

当环境中存在F-、SO2-4等离子时,铝会形成Al2F,Al2SO4等络合物;另外,土壤中天然配位体如腐殖酸、多酚类也具有螯合铝的作用,这些络合铝对生物的毒性很小。

没有形成络合物的铝的存在形态与环境的pH值相关。

在碱性条件下,单体羟基铝络离子发生聚合反应生成一系列聚合羟基形态,这些形态的铝对生物的毒性很小;在中性环境中,铝则形成了Al2（OH3固体;当环境pH值小于6.0时,铝将以Al3+,Al（OH2+,Al（OH+2形式存在,

存在的Al13聚合物是一种毒性很大的铝聚合物[4]。

[5

铝以毒性较大的形态溶出,危害森林和农作物。

2　铝对植物的毒害

,也可与脂质、糖类、,,从而抑制植物的生长。

。

Samuels等试验表明,对11Λmol时,其根部组织中的铝积累量高达546.0ΛggDW,生长抑制达50%。

可见,铝很容易在植物根尖富集,抑制根的生长[6]。

铝通过作用于根生长区使植物根变短、变粗,影响根对水和养分的吸收,限制了整个植株的生长。

植物体的细胞壁具有很强的积累阳离子的能力。

铝主要与细胞壁的成分相结合,影响植物正常的代谢活动[7]。

如铝可以与细胞壁的胶质、蛋白质等成分相结合,降低细胞壁的弹性及导水性,影响植物的生长。

LeVan等研究表明铝还可影响植物细胞壁的生物合成[8]。

Lazof等通过研究推测,植物生长受抑的起始阶段可能是铝与细胞壁生长和细胞生长过程中的信号传导物相互作用的结果[9]。

铝易与磷酸基、羟基等极性基团结合,因此可与细胞质膜的脂质及膜蛋白结合,影响膜的结构和功能。

植物细胞膜在植物吸收水分和养分过程中起着重要作用,铝可作用于脂质或直接作用于蛋白通道,使这些过程受到抑制。

Huang等研究表明铝与磷脂结合可抑制膜对阳离子的运输作用,使植物体缺乏矿质元素[10]。

Macklon等的研究则表明铝抑制了根对磷的吸收[11]。

Gunse等指出铝增加细胞膜的渗透性,使植物对养分和水分的吸收受到抑制[12]。

存在于膜上的一些酶也会受铝的抑制。

Suhayda等从玉米根中分离出质膜微粒,用铝处理后发现Mg2+2ATPase和K+2Mg2+2ATPase活性下降,破坏了质膜的结构,其可能机制是铝与酶底物ATP结合形成Al2ATP复合物,限制了酶2底物复合物的形成[13]。

铝还可以启动膜上第二信使,扰乱植物的代谢,Jones和Kochian认为,铝可影响膜上与信号传导相关的磷脂酶C的活性[14]。

在铝胁迫下小麦质膜脂质的各组分含量发生变化,如钾离子从质膜上渗漏出去,脂类明显流失,Mg2ATO酶活性明显下降,影响了膜的正常功能[15]。

细胞内的钙是维持细胞结构和功能的重要元素,铝和钙的相互作用将会影响植物的正常生理功能。

有关铝与钙的相互作用有3种假说:

（1铝抑制了根细胞对钙的吸收。

有关这一方面的研究很多。

Huang等认为Ca2+通道对Al3+敏感,铝通过作用于钙吸收通道影响钙离子的吸收[16];有人则认为铝与膜磷脂的结合影响了钙的吸收。

由于铝对植物生长的影响与钙吸收的相关性研究不多,因此并不能认为铝抑制了根细胞对钙的吸收是铝产生毒害的根本原因。

Ryan等就认为根生长受到铝的抑制与其对Ca2+的吸收减少无关[17];（2铝扰乱了细胞内钙的平衡。

细胞内Ca2+浓度的瞬时增加作为第二信使启动并调节细胞代谢过程,瞬时升高的钙来自于细胞储存库的释放,这一过程是受GTP2结合蛋白激酶C和磷脂酰肌醇激发,铝可与这些中间体结合,扰乱钙代谢;（3铝取代了重要位点的钙。

铝可通过配位竞争或降低膜表面的负势差取代钙[18]。

但也有许多研究否定了这一假说。

Kinraide等认为铝不是取代钙结合位点的钙,而是占据了其它活性位点[19]。

Ryan等研究结果亦表明这一假说不能解释铝的毒害作用[20]。

由于钙在生命过程中的重要作658　生　态　学　报20卷

用,因此铝和钙相互作用的研究仍需要深入进行,以得出较为明确的结论。

铝可与很多生物大分子发生强络合作用。

铝与细胞壁、细胞膜蛋白质结合在前面已提及,它还可以与细胞内其它的功能蛋白结合,影响它们的活性。

铝可与钙调蛋白结合,改变其结构并对其功能产生影响[21],也可与酶蛋白结合,影响酶活性。

有研究表明铝抑制植物细胞内与光合作用及呼吸作用有关的酶活性,影响这些生理过程的正常进行。

Minocha等采用体外悬浮细胞法研究了铝胁迫对DNA的合成、多胺及多胺生物合成酶等生物化学过程的影响,发现与DNA合成有关的酶活性受到抑制,如在1.0mmol铝作用1h,虽然细胞活性只稍有伤害,但其细胞内的精氨酸脱羧酶、S2腺苷甲硫氨酸脱羧酶和鸟氨酸脱羧酶等活性已下降20%~25%,严重抑制了DNA的合成[22]。

另有研究表明铝还可使蛋白质的合成下降[23]。

铝可以与DNA结合,增加DNA双螺旋结构的稳定性,阻止了DNA的复制,影响细胞的分裂[22]。

另有研究表明铝也可与RNA结合,从而影响RNA的结构和功能。

铝可与ATP形成Al2ATP复合物,[13]。

铝还可影响细胞骨架蛋白的表达。

Grabski发现铝可使肌动蛋白网内张力变化,他们推测代Mg2AP合的Mg2+[24]。

Macdonald,,l是微管蛋白聚合的特定抑制

剂[25]3Al的植物,并提出了许多假设,试图解释这些植物的抗性机理。

Klimashevskii发现,在高浓度的Al（8~10mgl培养基中,大豆、

豌豆、荞麦、大麦、小麦和巢菜的叶绿素蛋白复合体的稳定系数可以作为这些植物抗Al能力的标志;Cambriaia则认为高粱细胞中产生大量氨基酸、蔗糖和有机酸是去除Al毒性的重要途径;Wagatasum对大豆、西红柿和大麦研究后认为外界磷浓度和pH值对植物细胞耐Al（0.5mgL能力有影响;Kennedy对棉花、Huett对卷心菜和莴苣的研究则表明细胞壁对Al的吸附是抗Al的一重要的机理;Basu对小麦的研究表明,对敏感型品种,Al的EC50为25ΛM,而耐受性品种在100ΛM左右。

进一步对微粒体膜蛋白的电泳分析,在敏感型中分离出由两个多肽组成的51KD的蛋白是由Al的存在所诱导形成的,而当Al压力消失后72h,此种蛋白也随即消失。

彭嘉桂等采用耐Al性指数比较了大豆、玉米、鸡蛋豆和福豆的耐Al能力,将不同品种分为5个耐Al等级,并进行了基因型耐Al差异的鉴定。

从以上报道可以看出,不同植物品种对Al耐受能力不同,所提出的机理也很多,但仍需要更多的直接证据支持,且至今还没有哪一个机理为广泛认可。

这主要是因为植物对Al的抵抗能力的形成相当复杂,同时,也由于某一研究只是对某一试验对象,从某一可能的机理进行了较为深入的研究。

因此,所提出的抗性机理有一定的局限性,不能够对已有的报道作出普遍的解释。

总之,由于生物的生命过程本身相当复杂,代谢途径和生物物种的多样性,当生物在为了适应环境改变而发生自身变化时,其途径可能会更多,这也正是研究机理问题的难度所在。

当然,这种复杂变化并不是没有一定规律可寻。

综合前人研究结果,可将植物对Al抗性分为外部抗性机理和内部抗性机理两部分。

外部抗性主要是指生物阻止Al离子进入生物体内或到达细胞内敏感的代谢位置;内部机制则是指离子进入体内后,生物通过解毒作用获得对其抵抗力。

很明显,细胞壁和细胞膜构成了植物抗Al主要外部屏障,根区范围内pH的变化和螯合配位体的渗出亦属于外部抗性;而细胞内羧酸的螯合,Al结合蛋白的形成,液胞的分隔和耐Al酶的诱导合成则是植物细胞的内部抗性机理。

外部抗性与内部抗性既有差异,又有联系。

一种植物品系对Al抗性的能力和方式是由其外部和内部抗性共同决定的,两者的调节则可能是由一个以上基因所控制。

这样对问题的理解,似乎有助于对植物耐Al分子生物学基础的全面认识。

因此,在研究植物耐Al机理时,不能仅仅从以上可能的机理中的某一个方面进行孤立的研究,否则有可能会“只见树木不见森林”,而应尽可能地从多方面,由外到里,由细胞到个体,由现象到本质,运用一系列已有的生物技术,建立一实用的实验体系,以具有较高的经济价值和生态学价值的农作物品种和森林树种为实验对象,对各种可能的抗性形成机理进行比较全面和系统的研究。

在比较不同作用的贡献

7585期孔繁翔等:

铝对植物毒害及植物抗铝作用机理　

大小的基础上,发现一种或数种在植物中普遍存在的抗性机理,这样才有可能具体提出植物对Al抗性的最主要机理及其分子生物学基础,这应是研究植物对Al抗性形成机理的途径。

311　外部抗性机理

在外部抗性中,细胞壁和细胞膜起着关键的作用。

当植物根部吸收外界营养元素时,首先是这些元素与细胞壁接触。

在高浓度Al环境下,敏感型和耐受型植物的细胞壁对过多的Al产生不同反应。

此为植物细胞对Al协迫信息的最初感受,这种感受又将传递到细胞膜上和细胞内,引起一系列生理生化反应;同时,Al的存在与植物持续生长对细胞壁合成需要之间定量关系的研究,也是解释植物对Al耐受性的证据。

在区分外部抗性和内部抗性时,最可靠的方法是比较不同耐受性植物的完整细胞与去除了细胞壁的原生质体之间对Al的抗性的差别,但至今仍未见到类似的研究报道。

目前的研究表明,植物抗铝性大小可能与细胞壁的组成和性质有关,

子的能力,因此表皮细胞和叶肉细胞的细胞壁可与铝结合,等研究中测定到,铝浓度为1mM,处理6h后,,,

10%。

[8]

a,铝穿过不同

],耐受品种膜的固醇脂与磷脂的比率下降,而敏。

他们认为这可能是植物细胞膜的一种抗铝反应[15]。

Caldwell等研究表明耐受种的膜蛋白与铝的结合较松,因此他们认为铝与膜蛋白结合的差异可能与植物抗铝性差异相关[31]。

耐受性不同的小麦在铝胁迫下有不同的膜势反应,当铝浓度为150Λmol,耐受品种的膜势下降可达55mV,并发生去极性,而在敏感种却难以测定到膜势的变化,因此膜势下降可能作为信号传导给细胞内的代谢过程,以产生抗铝作用[32]。

已有的报道一般采用根部总Al的化学分析、Al染色、X2射线微分析和Al动力学研究等技术,但这些分析只能从理论上和化学分析方面进行推测。

目前,原生质体技术在用于生物的育种和体细胞杂交方面应用已十分广泛,亦有作者将原生质体技术结合放射性同位素技术,直接测定真菌生物膜对培养基中糖的选择吸收。

因此,植物根部原生质体的分离和纯化技术的应用,对于阐明外部抗性机理对植物耐受Al贡献,有可能得出更为直接和明确的结论。

植物根部细胞对Al吸收,一方面决定于细胞壁和细胞膜的功能,同时也取决于环境中Al形态。

因此,在研究外部抗性机理时,应注意Al不同形态在植物耐Al性中造成的差异,即需要对环境中及进入细胞中的Al形态进行分类,这亦是目前研究中已引起注意但仍未开展的工作。

可能是由于所涉及的技术难度较大,完全成熟的铝形态分析技术仍不多见。

最近用高压液相色谱仪结合原子吸收分光光度计以及27Al和核磁共振技术,对培养液中和根尖细胞中Al单体和复合体均能定性和定量,这为研究不同形态铝的生物学效应提供了可能。

植物根区pH的升高可能是另一重要的耐铝机制之一。

Taylor等研究认为耐铝小麦通过升高根区pH来增加抗铝性[27]。

Foy等也有类似的报道[28]。

Miyasaka等用微pH测定仪研究了在铝存在时不同耐铝性小麦根区pH的变化,发现耐铝品种Atlas66根区的pH增加0.1至0.2个单位,而敏感品种Scout66根区的pH增加大约0.02单位。

由于铝的溶解度对pH十分敏感,pH每变化0.1个单位,铝的溶解度将下降2Λmol。

因此他们认为根区pH的变化是植物抗铝的主要机制之一[29]。

有关植物根分泌有机酸螯合根区铝的研究已经比较成熟,很多研究表明耐铝植物的根在铝胁迫下可分泌大量的有机酸,在植物根区与铝螯合,减少铝进入细胞的量,降低铝的毒性。

研究最多的有机酸包括柠檬酸和苹果酸。

Pellet等研究不同耐铝性的玉米时发现,在铝存在时耐铝品种根尖分泌物的柠檬酸含量比敏感品种高7倍,因此他们认为柠檬酸分泌的多少与植物抗铝作用相关[33]。

Ryan等认为根尖苹果酸的分泌是小麦抗铝的主要机制[34]。

Basu等也指出不同耐受性的小麦根分泌苹果酸的能力不同[35]。

铝影响了有机酸的分泌,即影响了有机酸穿过细胞膜的能力,可能是由于铝直接与有机酸的运输通道相互作用,或铝与858　生　态　学　报20卷

第二信使相互作用使运输通道发生变化,影响了分泌。

Pellet等研究发现不仅是苹果酸的分泌,磷酸的分泌也与小麦抗铝性相关。

随着环境中铝浓度升高,耐受品种的磷酸和苹果酸分泌量明显上升。

当铝浓度为5Λmol和20Λmol,抗性品种每小时每棵苗所分泌的磷酸量分别为1.9和2113nmol,而敏感品种仅为0.5nmol;苹果酸在抗性品种为每小时每棵苗1.8nmol和4.8nmol,而在敏感品种为0.3nmol。

他们认为抗铝小麦品种的根尖分泌出较多磷酸和苹果酸,与根区Al3+络合,降低了铝的毒性[36]。

植物根系的多肽分泌增加与植物的抗铝性也有关。

酸性多肽可在较低浓度下与铝结合,增加植物抗铝性。

Basu的研究表明在铝胁迫下抗铝小麦能诱导合成或过量积累多肽,分泌到根外。

例如,当铝浓度为75Λmol时,电泳结果表明,抗性品种增加了12、

22和33KD的电泳带,而敏感品种则无任何增加,并发现抗生小麦分泌的多肽中能与铝结合的成分较多[37]。

312　内部抗性机理

尽管植物细胞具有一定外部屏障,,的抗铝机制。

Al环境中,Al;Al与许多氧供体形Al。

Cambraia等研究表明不,耐受品种比敏感品种高1.5倍[38]。

Suhayda等研究发

Mg2+2ATPase的活性[13];与敏感培养物比较,在高浓度Al条件下,

耐Al作物品系的根部能产生高浓度的羧酸,虽然在Al敏感型和耐受型作物根系中均有有机酸形成,但耐受型中某些酸,尤其是苹果酸和反乌头酸的浓度高于敏感型7~10倍。

因此他们认为玉米根细胞中大量的苹果酸、柠檬酸和反乌头酸能降低铝对细胞的重要成分和过程的影响,从而降低其对细胞生理过程的毒害作用。

他们还曾报道有机酸可保护铝诱导的钙调蛋白发生结构变化,降低铝对受钙调蛋白激活的磷酸酶的抑制作用[39]。

Al可降低敏感型植物中的柠檬酸、

乙酰丙酸和琥珀酸含量,但对耐受型中的这些酸的含量影响不大。

更明显的是,在严重的Al压力下,当外部抗性比较有效时,有机酸的含量就较低。

这说明此时耐受型的作物仅受外部抗性机理保护,有机酸含量不受影响。

但该机理的弱点是Al有机酸形成的复合物的稳定性被过高的估计了,因为在中性的细胞质环境中Al6H2O并不是Al主要存在形式,因此,螯合物去除Al毒性在耐Al机理中的作用还需要更多的实验证据支持。

液胞对细胞中有毒物质的储存起着相当重要的作用,液泡膜上的特殊酶系统可将胞质中多余的金属离子泵入液泡中,从而使细胞质及其他细胞器免受伤害,各种生理生化过程得以顺利进行。

因此,在植物对

Al抗性中,液胞可能也起着关键作用。

液泡的分隔效应在植物抵抗其他金属离子的机理中的作用已得到证明,但关于抗Al作用的报道不多见,还有待进一步深入研究。

Kasai等曾报道铝可诱导大麦根液泡膜的ATP依赖型和PPi依赖型的H+泵活性增强[40]。

Matsumoto等研究也发现铝可诱导液泡膜H+泵的活性增强,他们认为这是植物的一种适应机制,H+运输的增加,有利于植物维持细胞内pH的平衡,并可通过Al

nH+交换反应把Al3+分隔到液泡中,降低铝的毒性[41]。

由于对液泡