王佳鈺，李萌，宋曉卉，李琦，齊秀芬，王蘭蘭

（沈陽(yáng)師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110341）

我國(guó)現(xiàn)階段大約有近20%的土地已經(jīng)遭受到了嚴(yán)重的重金屬污染，總計(jì)面積約為11億公頃，遭受重金屬污染的糧食產(chǎn)量達(dá)到了上千萬(wàn)噸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到200億余元[1]。2014年，《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，中國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，約合100.8萬(wàn)平方千米。植物細(xì)胞內(nèi)，生長(zhǎng)發(fā)育必需的金屬離子可以保證體內(nèi)的正常生理功能，利于其生長(zhǎng)，但當(dāng)濃度超過(guò)一定域值時(shí)，會(huì)對(duì)植物造成毒害[2-3]。目前的研究表明，植物中代謝物超過(guò)20萬(wàn)種，在重金屬脅迫下涉及氨基酸代謝、有機(jī)酸代謝、糖酵解代謝等多種代謝途徑變化[4-5]，故代謝組學(xué)為研究植物逆境下代謝動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制提供了平臺(tái)。本文綜述了不同重金屬脅迫下植物內(nèi)氨基酸類、有機(jī)酸類、糖類等物質(zhì)的含量變化特征及調(diào)控機(jī)制，并對(duì)本領(lǐng)域中有待深入研究的方向及問(wèn)題進(jìn)行了展望。

1 氨基酸類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，在植物體受到重金屬脅迫后，參與調(diào)節(jié)離子轉(zhuǎn)運(yùn)、氣孔關(guān)閉、氮代謝等解毒過(guò)程[6-7]。氨基酸類代謝物的變化可作為研究重金屬脅迫后植物體響應(yīng)的重要信號(hào)。

呂佳莉等運(yùn)用主成分分析法分析玉米幼苗5個(gè)不同的Cd2+濃度梯度（1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L）處理下氨基酸類代謝物的響應(yīng)變化[8]。結(jié)果鑒定出甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、纈氨酸、蘇氨酸6種氨基酸類差異代謝物含量均上升，尤其是Cd2+濃度較高時(shí)含量升高顯著（P＜0.05）。甘氨酸和谷氨酸是谷胱甘肽和植物螯合肽合成的前體物質(zhì)，參與植物螯合肽和抗氧化酶代謝物的合成過(guò)程。重金屬脅迫抑制植物正常的氮代謝途徑，通過(guò)甘氨酸和谷氨酸的積累以促進(jìn)體內(nèi)硝酸鹽的還原，從而緩解重金屬的傷害。同時(shí)，這兩種氨基酸也影響細(xì)胞壁的生長(zhǎng)和生理功能[9]。天門冬氨酸可以調(diào)節(jié)降低植物體內(nèi)硝酸鹽的含量，維持植物細(xì)胞滲透壓，而且還可以作為重金屬的配體，形成金屬?gòu)?fù)合物[10]。丙氨酸的應(yīng)激反應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境pH的調(diào)節(jié)，其含量的增加可能是由于重金屬脅迫后，蛋白質(zhì)合成速率降低和丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶反應(yīng)減緩引起的[7]。以上這些氨基酸大都是糖異生的前體氨基酸，前體氨基酸水平的升高表明植物體內(nèi)蛋白質(zhì)分解水平增加，糖異生途徑水平增高，糖異生主要是由非糖前體物質(zhì)生成糖的過(guò)程，其主要意義在于為依賴葡萄糖供能的組織提供能量[11]。但Wang等[12]采用GC-MS方法研究鉛、鎘脅迫下蘿卜根系內(nèi)氨基酸類代謝物的變化，結(jié)果表明鉛脅迫（1 000 mg/L）下，異亮氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸含量降低。在鎘離子脅迫（400 mg/L）下也得到了相似的結(jié)果，甘氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、丙氨酸、焦谷氨酸鹽5種與重金屬解毒有關(guān)的氨基酸類代謝物含量降低。這可能與高濃度金屬離子暴露下SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性有關(guān)[13-14]。另有郭山在Cd2+脅迫下（0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L）研究鳳眼蓮體內(nèi)和根系分泌物中氨基酸類代謝物的變化[15]。在鳳眼蓮根系分泌物中檢測(cè)出甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等13種氨基酸類代謝物，在體內(nèi)檢測(cè)出14種。與根系分泌氨基酸的組分相比，除苯丙氨酸為額外鑒定出的氨基酸，其余氨基酸種類相同，但其體內(nèi)氨基酸總量高于根系分泌氨基酸總量，莖葉內(nèi)氨基酸總量要高于根部，這可能與Cd2+主要富集在鳳眼蓮的根部有關(guān)。

目前，較多研究中涉及的差異氨基酸種類較少，其他種類氨基酸的作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

2 有機(jī)酸類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

植物葉片與果實(shí)中的有機(jī)酸參與呼吸作用和光合作用，還參與合成氨基酸、酚類、酯類和芳香物質(zhì)等代謝過(guò)程。植物根系分泌的有機(jī)酸在土壤養(yǎng)分的活化、吸收過(guò)程中也起到重要作用[16]。

檸檬酸、草酸以及蘋果酸屬于低分子量有機(jī)酸，含有幾個(gè)碳原子組成的碳鏈和一個(gè)或多個(gè)酸性官能團(tuán)羥基，可攜帶一個(gè)或幾個(gè)負(fù)電荷[17]。在銅離子脅迫下黃瓜體內(nèi)有機(jī)酸類代謝物的響應(yīng)研究中，與對(duì)照相比，在10 mg/L和20 mg/L銅離子處理下，檸檬酸下調(diào)可能是為了降低黃瓜組織中銅離子的溶解、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)速率，也可能是因?yàn)槿人嵫h(huán)（TCA循環(huán)）中代謝發(fā)生變化[18]。趙麗娟等[19]實(shí)驗(yàn)也表明，在土壤鎘離子含量5.0 μg/g培養(yǎng)條件下，運(yùn)用氣相質(zhì)譜聯(lián)用的方法檢測(cè)到菠菜和玉米幼苗體內(nèi)的檸檬酸和蘋果酸兩種差異代謝物含量顯著下調(diào)。蘋果酸和檸檬酸主要在線粒體中通過(guò)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生，是植物體內(nèi)TAC循環(huán)中兩種主要的有機(jī)酸，也是重要的金屬配位體。通過(guò)參與重金屬的吸收、運(yùn)輸、貯存和解毒等生理代謝過(guò)程，將離子態(tài)的金屬轉(zhuǎn)變成低毒或無(wú)毒的螯合態(tài)，從而減輕過(guò)量金屬對(duì)植物的毒害效應(yīng)[20]。

除檸檬酸和蘋果酸外，草酸也在多個(gè)重金屬脅迫下代謝組學(xué)研究中被確定為差異代謝物。有研究通過(guò)LC-MS/MS方法，在受到鎘離子脅迫的鳳眼蓮體內(nèi)鑒定出7種有機(jī)酸[15]。莖葉部有機(jī)酸以草酸、檸檬酸和蘋果酸為主，隨著鎘處理的濃度升高，檸檬酸和蘋果酸含量顯著下調(diào)，這與上述研究結(jié)果一致，但其草酸含量略有波動(dòng)且維持在較高水平。推測(cè)鎘脅迫對(duì)莖葉內(nèi)主要有機(jī)酸的影響表現(xiàn)為抑制檸檬酸和蘋果酸的積累，促進(jìn)草酸的積累。隨后，在其根系分泌物的檢測(cè)鑒定中發(fā)現(xiàn)，隨著鎘處理濃度的升高，草酸分泌呈現(xiàn)出先增后減而后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在Cd2+濃度為1 mg/L時(shí)分泌量達(dá)到最大，說(shuō)明鎘的加入可能迫使鳳眼蓮根系分泌更多的草酸，但當(dāng)濃度達(dá)到較高水平時(shí)，分泌量不會(huì)持續(xù)增加，而是穩(wěn)定在一定范圍，由此推測(cè)可能是因?yàn)榧せ盍俗晕冶Ｗo(hù)的機(jī)制[15]。

水楊酸是一種脂溶性有機(jī)酸，曾有Zhao等研究表明，在銅處理（10 mg/L、20 mg/L）下水楊酸被鑒定為差異代謝物，且其濃度分別是對(duì)照組的13和26倍[18]。在重金屬脅迫時(shí)，水楊酸可能作為植物內(nèi)源激素以及信號(hào)分子激活植物的防御功能。同時(shí)，水楊酸可顯著降低銅脅迫下水稻體中丙二醛和H2O2的濃度，以此減輕銅對(duì)水稻的傷害。

目前，研究主要集中在小分子量有機(jī)酸，大分子量有機(jī)酸的響應(yīng)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3 糖類代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

糖代謝在整個(gè)植物代謝中處于中心位置，既為保障植物正常的生長(zhǎng)和發(fā)育提供能量、構(gòu)建碳骨架，又聯(lián)系著植物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝、脂類代謝、核酸代謝及次生物質(zhì)代謝等。此外，糖類物質(zhì)還在調(diào)節(jié)滲透壓、基因調(diào)控[21]、信號(hào)傳遞[22-23]等方面也發(fā)揮重要作用。重金屬脅迫會(huì)刺激植物體內(nèi)的糖代謝發(fā)生改變。

糖類化合物能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)提供碳源，使根系周圍的微生物數(shù)量、活性遠(yuǎn)大于非根際環(huán)境，而大量活躍的微生物可以把根系分泌的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可活化重金屬的小分子物質(zhì)，而且其自身分泌的有機(jī)質(zhì)也可活化重金屬[24]。羅慶[25]研究了不同鉛濃度脅迫（10 μmol/L、50 μmol/L、200 μmol/L 和1 000 μmol/L）下東南景天內(nèi)糖類代謝物的變化，推測(cè)其對(duì)重金屬的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，伴隨著鉛濃度的升高，根系分泌物中的半乳糖、葡萄糖、麥芽糖等糖類代謝物表現(xiàn)出先上調(diào)后下調(diào)的變化趨勢(shì)?？赡艿脑蚴窃诘蜐舛认聳|南景天通過(guò)增加以上糖類分泌來(lái)活化根系周圍的鉛，提高富集效果。但鉛濃度累積到一定程度時(shí)，東南景天又通過(guò)減少這些糖類的分泌來(lái)減輕鉛對(duì)東南景天的毒害效應(yīng)，以保證東南景天在高濃度的鉛脅迫下能夠正常生長(zhǎng)[25]。另有趙麗娟的研究得到相似結(jié)果，低濃度鎘脅迫下，菠菜和玉米幼苗內(nèi)與能量代謝相關(guān)的葡萄糖、蔗糖、半乳糖等糖類化合物含量顯著上調(diào)[19]。鉛脅迫下（1 000 mg/L）蘿卜根內(nèi)果糖、葡萄糖、半乳糖含量升高，但鎘脅迫下（400 mg/L）3種糖類代謝物的含量卻呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。推測(cè)可能是同種植物在應(yīng)對(duì)不同種重金屬脅迫時(shí)其糖酵解循環(huán)存在差異性，也可能與重金屬的脅迫濃度不同有關(guān)，其可溶性糖的響應(yīng)機(jī)制有所不同[19]。

可溶性糖含量激增是植物體內(nèi)在重金屬脅迫下一種典型的應(yīng)激反應(yīng)。植物會(huì)發(fā)生一系列的抗逆性反應(yīng)，如產(chǎn)生活性氧、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及與抗逆相關(guān)的蛋白和代謝物[26]，這些反應(yīng)的維持均需要糖類化合物提供大量的能量。糖代謝又關(guān)聯(lián)著氨基酸、有機(jī)酸代謝，所以會(huì)間接影響植物體的整體代謝系統(tǒng)。另外，植物受重金屬脅迫時(shí)，可溶性糖具有滲透調(diào)節(jié)作用，維持細(xì)胞膨壓并保護(hù)植物的細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)[27]。目前，對(duì)重金屬下植物體內(nèi)糖類代謝物的研究主要集中在可溶性糖對(duì)植物體內(nèi)的影響，其他糖類代謝物及響應(yīng)機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

4 其他代謝產(chǎn)物與重金屬脅迫

在重金屬脅迫下植物代謝組學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)鑒定出的代謝產(chǎn)物有多種類別，除以上列舉外，還存在有機(jī)醇、胺類等代謝產(chǎn)物。

李雪妹[28]在鉛脅迫（100 μmol/L）下水稻幼苗多元醇代謝物變化的研究中，鑒定出以肌醇為代表的6種有機(jī)醇含量升高。肌醇參與多種代謝調(diào)節(jié)，如植酸存儲(chǔ)物質(zhì)的合成、調(diào)節(jié)植物細(xì)胞抗逆性、促進(jìn)種子脫水和調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)素、還參與細(xì)胞壁的合成[27]。這與此前的鎘脅迫下，玉米幼苗和菠菜體內(nèi)肌醇含量升高的代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]。以此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫的玉米幼苗中還存在抗逆相關(guān)物質(zhì)腐胺的含量累積。腐胺是一種多胺類物質(zhì)，能調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育，提高植物的抗逆性，是由TCA循環(huán)中的酮戊二酸衍生化而來(lái)，重金屬脅迫對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，引起了腐胺變化來(lái)抵抗逆境[29]。

近年來(lái)，在甘露醇相關(guān)研究中，林立東等[29]運(yùn)用氣相色譜質(zhì)譜法分析低濃度（0.25 mg/L、0.50 mg/L）、高濃度（1.50 mg/L、3.00 mg/L）銅脅迫下羊棲菜體內(nèi)代謝物的變化。結(jié)果表明，高濃度銅脅迫下甘露醇含量降低，推測(cè)甘露醇是作為可混合溶質(zhì)，被用作羥基自由基清除劑，參與細(xì)胞中活性氧（ROS）清除的過(guò)程，對(duì)氧化脅迫起到解毒的作用。對(duì)于低濃度銅脅迫，可能對(duì)細(xì)胞透性未發(fā)生顯著傷害，所以羊棲菜藻體內(nèi)甘露醇的含量沒(méi)有顯著下調(diào)的趨勢(shì)[30]。

植物對(duì)重金屬脅迫的代謝反應(yīng)較復(fù)雜，目前的研究主要集中于氨基酸、有機(jī)酸、糖類和少量多元醇等代謝物，其他代謝物對(duì)植物體的整體代謝影響有待于深入研究。

5 結(jié)語(yǔ)

代謝組學(xué)技術(shù)在植物重金屬脅迫研究領(lǐng)域中已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，拓展了對(duì)于植物耐受重金屬脅迫響應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。然而對(duì)于多樣復(fù)雜的應(yīng)答脅迫代謝機(jī)制來(lái)說(shuō)，目前的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，將植物的生長(zhǎng)生理指標(biāo)與代謝組學(xué)相結(jié)合，并開(kāi)展更多植物種類應(yīng)答脅迫的代謝組學(xué)研究，將代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)以及蛋白質(zhì)組學(xué)等其他組學(xué)相結(jié)合，建立基因和代謝產(chǎn)物之間的完整網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，進(jìn)而從基因、蛋白和代謝角度全面闡述植物代謝規(guī)律。系統(tǒng)全面地認(rèn)知植物應(yīng)答脅迫的代謝規(guī)律和響應(yīng)機(jī)制將有助于植物抗逆性改良并保障生產(chǎn)力的提高與穩(wěn)定。總之，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及植物學(xué)研究的不斷深入，代謝組學(xué)技術(shù)將會(huì)在植物應(yīng)答重金屬脅迫研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。