植物抗铜毒害机制的研究进展
作者： 王鎏帆 冉玉玲 张国超 邵勇华 俞快 寿建盺 徐梅 严旭 王超摘要 铜（Cu）是植物所必需的营养元素，广泛参与多种生理生化过程，但过量的铜会产生毒害作用，严重影响植物生长发育。为了抵御铜毒害，植物进化出多种机制来严格调控环境中铜的吸收及其在体内的转运。近年来，随着人类工业化的发展，土壤中的铜污染日益加剧。阐述了铜毒害对植物造成的危害，总结分析植物利用根系分泌物、细胞壁、转运蛋白、抗氧化剂等响应铜胁迫的各类防御机制，此外，还探讨了囊泡运输在植物抗铜毒害中的潜在功能，以期为耐铜作物的培育提供新的思路和理论依据。
关键词 植物；铜毒害；吸收；转运；囊泡运输
中图分类号 X 173 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）24-0023-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.005
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Research Progress on the Mechanism of Plant Resistance to Copper Toxicity
WANG Liu-fan， RAN Yu-ling， ZHANG Guo-chao et al
（College of Life and Environmental Sciences， Shaoxing University， Shaoxing， Zhejiang 312000）
Abstract Copper （Cu） is an essential nutrient element for plants and widely participates in various physiological and biochemical processes.However， excessive copper has toxic effects and seriously affects the growth and development of plants.In order to resist copper toxicity， plants have evolved multiple mechanisms to strictly regulate the absorption of copper in the environment and its transport within the body.In recent years， with the advancement of human industrialization， copper pollution in soil has significantly increased.This paper elaborates on the harm caused by copper toxicity to plants， and summarizes and analyzes various defense mechanisms of plants in response to copper stress， such as root exudates， cell walls， transport proteins， and antioxidant.In addition， we explored the potential function of vesicle transport in plant resistance to copper toxicity， hoping to provide new ideas and theoretical basis for the cultivation of copper tolerant crops.
Key words Plant;Copper toxicity;Absorption;Transport;Vesicle trafficking
目前，重金属污染已经是一个世界性的环境问题，它给地球上的生物安全带来严重隐患。在众多重金属中，铜作为植物生长所必需的八种微量元素之一，与植物的许多生理和生化过程有关，包括光合作用、呼吸作用、超氧化物清除、细胞壁代谢、木质化以及乙烯感知等［1］，是一种对植物正常代谢至关重要的营养元素。植物在缺铜条件下会出现各种异常表型，包括生长发育迟缓、嫩叶扭曲和水分运输不足等［2］。近年来由于人类工业和农业上含铜制品的大量使用和排放，导致铜污染日益加剧。高浓度的铜会抑制植物生长，影响一些关键细胞成分的功能［1］，并且对土壤微生物具有毒害作用，阻碍植物对氮、钾、磷等营养元素的吸收利用［3］。这些积聚在植物体内的铜不仅会减少作物产量，最终还将通过食物链对人类的健康构成威胁。该研究围绕铜对植物的毒害作用以及植物对铜的吸收和转运，着重探讨植物抗铜毒害机制的研究进展，旨在为提高植物耐铜性和土壤铜污染的植物修复提供借鉴和参考。
1 铜对植物的毒害
铜对植物的毒性取决于其在土壤中的溶解度和有效性［4］，而铜在土壤中的溶解度又依赖于pH和可溶性有机质的含量［5］，它的生物利用率则受到总铜浓度、阳离子交换能力、土壤有机质和土壤pH的影响［6］。一旦体内的铜过量就会产生大量自由基与活性氧，对植物造成毒害，影响植物的种子萌发、矿质营养元素的吸收、光合作用和根部生长等［7］。
1.1 铜毒害对种子萌发的影响
种子萌发是植物生命的重要阶段，在此期间植物对周围介质的变化高度敏感［8］，而铜的过度积累会导致萌发率显著下降［9-12］。研究表明，铜胁迫抑制种子萌发可能由三方面原因造成：①种子长期处于铜胁迫条件下，种皮对铜的渗透性增强，导致铜渗透到胚胎中，进而抑制种子萌发；②铜毒害会阻碍糖的转运，抑制碳水化合物从源到库的输出，从而影响种子萌发［13］；③铜毒害会下调ɑ-淀粉酶、转化酶以及烯醇化酶的活性［14］，导致蔗糖和葡萄糖水解，其产物过量积累从而降低种子萌发率［15］。
1.2 铜毒害对吸收矿质营养元素的影响
研究表明，铜胁迫会使得植物对其他营养元素（N、Fe、Zn、Ca和Mn等）的吸收率下降［3，16-18］。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，NRT1.1、NRT1.2是高亲和力硝酸盐转运蛋白［19］，NRT1.5负责调节硝酸盐长距离运输，介导硝酸盐从木质部向地上部分的转运［20］，它们与植物的N吸收密切相关。长期处于铜胁迫条件下，拟南芥NRT1.1、NRT1.2和NRT1.5的转录水平都明显下调，进而影响植株对N元素的吸收。此外，铜胁迫还会通过抑制硝酸还原酶的活性来阻碍硝酸盐还原成铵，造成拟南芥对N的吸收减少［3］。铜毒害会增加拟南芥细胞中的有机螯合剂（烟酰胺和谷胱甘肽），进而减少Fe从根部到地上部分的运输，导致Fe在植物根部积累［17］。另有研究显示，高粱（Sorghum bicolor）幼苗处于铜胁迫条件下其根系对Fe、Zn、Ca和Mn的吸收率显著降低［18］。
1.3 铜毒害对光合作用的影响
铜离子在植物中参与光合电子传递和氧化还原反应，它是质体蓝蛋白、Cu/Zn超氧化物歧化酶、车前花青素以及铜依赖性胺氧化酶等的重要组分［21］。植物将铜传递给叶绿体类囊体腔的质体蓝素和基质中的CSD2。质体蓝素和CSD2都是核基因编码的，其中质体蓝素参与光合作用，对植物的生长发育至关重要。当铜缺乏时，植物会调节细胞内铜离子的分布，优先将铜传递给质体蓝素，从而保证光合作用的正常进行［22-24］。但是当铜过量时，反而会破坏叶绿体和类囊体膜的组成，降低光合色素和电子载体的含量，从而抑制光合作用的电子转移，使得叶片变黄［25］。铜过量还会导致铁从根部向地上部分的转移减少，引发代谢紊乱，使叶绿素浓度降低，进一步影响光合作用［26］。
1.4 铜毒害对根部生长的影响
铜过量会破坏植物根角质层和根部的细胞膜，抑制主根伸长，促进侧根形成，并减少根毛的产生，从而使根系的生长速度下降［7］。研究显示，铜胁迫抑制初生根的生长与生长素的再分配密切相关，而生长素的再分配受生长素输出载体PIN1（PIN-formed1）调控［27］。生长素报告基因DR5显示，铜胁迫条件下生长素在根尖上方积累，进而促进侧根的形成［28］。此外，铜过量还会使根部细胞分裂减少，细胞壁厚度增加，导致根部形态发生改变［29］。同时，铜毒害会使代谢失衡，增加细胞膜中的活性氧和脂质过氧化，致使植物根部形态异常［23］。有证据显示，长期处于铜胁迫下的大蒜（Allium sativum）根部出现有丝分裂指数逐渐下降，线粒体结构改变，核膜破裂，染色质物质凝聚以及细胞器解体等现象［30］。总之，铜毒害会抑制植物根的初级生长，减缓根分生细胞的增殖，破坏细胞的完整性。
2 植物对铜的吸收与运输
植物正常生长发育除了需要吸收C、H、O、N和P等大量元素外，还需要吸收微量元（Fe、B、Cu、Zn、Mo和Mn等）以维持正常的生理生化活动。微量元素中的铜作为一种重要的辅酶因子，参与植物的光合作用和呼吸作用。在长期的进化过程中，植物产生了一套完善的吸收机制，以便从环境中获得铜离子来满足自身需求。
首先，由纤维素、果胶和糖蛋白构成的细胞壁带有负电荷，因此可以与铜离子结合［31］。此外，植物根部会分泌柠檬酸、苹果酸等有机酸以及呼吸作用形成的碳酸来溶解难溶性物质以获取铜，在铜离子被根部吸收后，再通过木质部、韧皮部进而到达地上部分［32］。其中，木质部加载可以分为质外体途径和共质体途径两条。质外体途径通过细胞间隙进行，是从土壤溶液扩散到细胞间隙；共质体途径是由不同的转运蛋白通过细胞质膜完成［33］。铜转运蛋白（copper transporter）COPT1、COPT2定位于植物根尖质膜，主要负责铜离子的吸收［34］。COPT6同样也是一种质膜蛋白，主要在地上部分起吸收铜离子的作用［35］。当缺铜时，植物体内COPT1、COPT2、COPT6转录水平上调，以增加铜离子的摄取［36］，且COPT6在mRNA水平上的上升明显高于COPT2［37］。ZIP家族是阳离子转运蛋白，现已证明在Zn、Mn、Fe、Cu 4种必需微量营养元素的运输中发挥重要作用［38］。ZIP家族有15个成员，其中只有ZIP2和ZIP4会受缺铜诱导使其转录水平上调［39］。研究显示，拟南芥中P1B型重金属ATP酶（heavy metal ATPase，HMA）具有介导潜在有毒金属跨膜转运的能力［40］。其中，HMA7（RAN1）定位于内质网，主要在根和花中表达［41］，其功能是将铜传递到乙烯受体ETR1家族中［42］。HMA6和HMA8则定位于叶绿体，负责叶绿体中的铜转运。HMA6负责将铜运输到基质，而HMA8负责将铜运输到类囊体以便合成质体蓝蛋白或为Cu/Zn-SOD提供辅助因子［43］。黄色条纹蛋白YSL（yellow stripe-like protein）家族介导烟酰胺螯合的铜离子，在铜的长距离运输中发挥功能［44］。