肖京林，覃 美，凌桂芝，黎曉峰

（1.廣西大學農學院/廣西甘蔗生物學重點實驗室，廣西 南寧 530004；2.廣西大學農牧產業(yè)發(fā)展研究院，廣西 南寧 530004）

在多變的自然環(huán)境中，植物會遭受各種各樣的非生物脅迫。非生物脅迫因素如溫度、鹽分、干旱、土壤重金屬等都會影響作物生長，并導致減產［1］，而隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，農業(yè)土壤環(huán)境污染問題也變得日益嚴重，土壤的重金屬污染和鹽漬化問題表現突出［2］。重金屬污染會降低根際土壤的微生物多樣性［3］，有害金屬離子對細胞的毒害主要表現為抑制葉綠素的合成，影響葉片光合作用，并導致葉片褪色；金屬離子還會與養(yǎng)分離子轉運蛋白結合，影響蛋白質的結構與功能并抑制養(yǎng)分的吸收運輸；有害金屬離子在細胞體內過量積累還會導致電子傳遞受阻，氣孔關閉，細胞內蛋白質變性以至細胞伸展功能和保護受限制，嚴重抑制作物的生長并導致減產；同時，金屬離子會通過食物鏈在人體內富集，危害人類健康［4］。鹽漬化的土壤由于鹽分過高，主要引起滲透脅迫，外界環(huán)境滲透壓升高，導致根細胞對水分吸收受阻和細胞內水分倒流，致使植物細胞脫水和細胞膨壓降低，影響細胞壁的伸展性而最終抑制細胞的延伸和生長［5］，同時鹽脅迫還會影響土壤養(yǎng)分的有效性，從而影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收［6］，導致作物出現生理性干旱，影響正常的生理代謝［7］。有害金屬離子和鹽分脅迫均會導致過多的活性氧（ROS）積累，而當細胞內ROS積累量超出植物防御能力后，會導致膜透性降低，使蛋白質結構功能發(fā)生改變甚至失活，并對DNA造成永久性損傷，導致死亡［8］。

植物在長期脅迫的環(huán)境下，也進化出了一系列抵抗這些非生物脅迫的機制。細胞壁作為植物細胞抵抗外界環(huán)境脅迫的第一道屏障，在細胞響應外界逆境脅迫時起著至關重要的作用。細胞壁組分的果膠和半纖維素具有大量的羧基基團，這些基團吸附并區(qū)隔化固定金屬離子，減少有害金屬離子向原生質體的運輸，從而減少有害金屬離子對細胞的毒害。此外，細胞壁蛋白也是感受有害金屬離子脅迫信號刺激的所在位點，且細胞壁蛋白上的氨基能與有害金屬離子相結合，從而提高植物對有害金屬耐受性，細胞壁上的一些酶蛋白也會通過調節(jié)果膠的甲酯化和半纖維素的乙?；瘡亩{節(jié)細胞壁對有害金屬離子的集合能力。植物細胞壁在鹽脅迫下也會產生相應的應答反應，植物對鹽脅迫的耐受性與細胞壁的擴展蛋白基因的表達密切相關，鹽脅迫下植物能通過擴展蛋白所控制細根尖細胞壁的伸展從而維持根的生長。同時，擴展蛋白還能參與調節(jié)細胞壁松弛和延伸性，并增加細胞壁的韌性，從而緩解因水分脅迫對細胞造成的壓力，維持細胞正常生長，提高植物對鹽分的耐受性［9］。對于逆境脅迫下，植物如何有效吸收養(yǎng)分和提高養(yǎng)分利用率或提高耐受性，從而達到逆境脅迫下的高產、穩(wěn)產的目的始終是植物營養(yǎng)學和植物生理學領域的研究熱點，特別是近10年來，植物適應逆境脅迫的分子機制被越多越多分子生物學領域的研究團隊所關注，關于細胞壁對環(huán)境脅迫的應答機制的研究也變得愈發(fā)炙手可熱。本文綜述了植物細胞壁及其組分在抵抗有害金屬和鹽脅迫方面的最新研究進展，以期引起廣大研究者對植物細胞壁抵抗逆境脅迫作用的重視。

1 植物細胞壁的組成成分

植物細胞壁的組成成分主要包括多糖、木質素和蛋白質，是一種復雜的多層黏質結構，能固定細胞的外形，提高細胞的機械強度。植物細胞壁可以分為初生壁與次生壁，初生壁主要由半纖維素、纖維素、果膠和糖蛋白組成，是最初形成的且未通過次生增厚的細胞壁；次生壁主要由纖維素、半纖維素、木質素構成，是植物細胞通過次生增厚后在初生壁內側形成。胞間層是相鄰的植物細胞的細胞壁之間所形成的間隙。

纖維素是細胞壁中的主要成分，是存在于初生細胞壁和次生細胞壁中的一類多糖，構建細胞壁基本骨架。纖維素作為一種多糖物質，由β-1,4糖苷鍵相連接，由纖維素合成酶作用合成。半纖維素也是細胞壁的主要多糖，以氫鍵與纖維素相連接，包括木葡聚糖、半乳酸醛糖、多縮阿拉伯糖等。果膠是細胞胞間層的主要成分，也是一種結構十分復雜的多糖成分，包括鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ和同型半乳糖醛酸聚糖。

細胞壁的蛋白主要為結構蛋白，這類蛋白是糖基化形成的蛋白，主導了細胞壁的主要生理生化反應，參與了細胞壁的信號傳遞、結構組分修飾等。伸展蛋白作為一類細胞壁結構蛋白，在植物細胞的抗逆性和細胞生長中起重要作用。此外，細胞壁中還存在一些酶蛋白，這些酶按照其功能的不同，大致可以分為3種，與細胞生長過程有關酶、水解酶、氧化還原酶。

2 細胞壁在植物有害金屬耐受性中的作用

2.1 細胞壁果膠在植物有害金屬耐受性中的作用

植物細胞壁多糖上的基團對金屬元素能夠起到固定的作用［10］。近年來細胞壁果膠對重金屬抗性的研究一直備受關注，細胞壁多糖組分的果膠因富含大量的羧基基團且解離后帶負電荷，能夠與金屬陽離子相結合［11］，從而減少金屬離子向細胞內的運輸。研究表明，鋁脅迫能顯著抑制南瓜主根生長，并使根細胞壁的果膠含量顯著提高［12］。煙草細胞懸浮培養(yǎng)時，近80%的Al是結合在細胞壁果膠中，并且隨著鋁濃度增加，果膠含量也增加［13］。對玉米的研究發(fā)現，鋁脅迫下敏感型的玉米根尖果膠含量更高，且與果膠結合的鋁含量也更多［14］。Konno等對蕨類植研究發(fā)現，銅主要結合在細胞壁果膠的同型半乳糖醛酸聚糖上［15］；進一步研究發(fā)現，Cu主要被積累在劍葉舌葉蘚的原絲體的細胞壁中，其中43%的銅會被細胞壁果膠的同型半乳糖醛酸聚糖結合［16］。為了進一步確認細胞壁果膠和重金屬的關系，研究者用果膠酶分解小麥細胞壁的果膠，發(fā)現去除果膠后，小麥細胞壁對重金屬Al的吸附顯著降低，證明果膠的確能與Al相結合［17］，對細胞壁進行酯化改性去除部分羥基官能團后，根細胞壁對Pb的吸附量相對降低了68.1%，用果膠酶改性去除部分果膠和通過甲基化改性去除部分氨基的細胞壁，對Pb的吸附量相對降低48.9%與41.1%［18］。同樣經酯化改性、氨基甲基化改性和果膠酶改性后，小飛蓬根細胞壁對Cd的累積吸附量分別相對降低49.1%、38.5%和26.1%，利用FTIR分析了小飛蓬的根和葉細胞壁上Cd吸附位點的官能團后，發(fā)現在小飛蓬根、葉細胞壁吸附鎘的過程中，羥基、羧基和氨基都是鎘的主要結合位點，而果膠主要提供羥基官能團與Cd相結合［19］。進一步研究發(fā)現果膠的甲酯化程度影響到對金屬的結合，如石竹根細胞細胞壁的果膠甲酯化程度越高，細胞壁結合的Cu含量越低，反之亦然［20］；亞麻的下胚軸細胞壁中低甲脂化的果膠是Cd的主要結合位置［21］。對不同年限設施菜地番茄細胞壁果膠Cd累積的研究發(fā)現，番茄莖和葉片中果膠含量及PME活性與細胞壁Cd累積量呈正相關［22］。對芹菜根細胞壁鎘吸附動力學研究發(fā)現，利用果膠酶對根細胞壁改性處理后，細胞壁的果膠質含量會降低，細胞壁對Cd的吸附能力也降低了40.5%［23］。對不同Al抗性大麥品種的研究發(fā)現，根尖細胞壁的果膠甲酯酶參與大麥Al抗性的調節(jié)［24］。降低果膠甲基化程度及去除半纖維同樣能夠顯著降低海州香薰根細胞壁對Cu的吸附，紅外光譜分析結果顯示，果膠提供的羥基基團和半纖維提供的羥基基團是Cu的主要集合位點［25］。對甘蔗錳毒的研究發(fā)現，果膠是甘蔗葉片Mn的主要細胞壁結合位點，且錳脅迫會增加果膠的積累并激活果膠甲酯酶，降低果膠甲酯化程度，從而提高甘蔗對 Mn 的抗性［26］。

2.2 細胞壁半纖維素在植物有害金屬耐受性中的作用

半纖維素在高爾基體上合成，包含葡萄甘露聚糖、木聚糖及木葡聚糖等一系列不帶電荷、中性或微酸性的多糖，以往被認為其與金屬離子的結合能力比帶負電荷的果膠更弱，然而研究發(fā)現果膠與半纖維素之間存在著共價鍵相連接，半纖維素與金屬離子的結合位點可能被果膠的半乳糖醛酸掩蓋［27］，因此導致半纖維與金屬離子的結合能力被低估。

用果膠酶分解細胞壁的果膠后，雖然細胞壁對金屬Al的吸收能力有所下降，但是細胞壁的Al含量仍較高［17］。進一步研究發(fā)現，用沸水有效去除擬南芥細胞壁果膠成分后，細胞壁鋁含量降低并不顯著，而去除細胞壁的半纖維素后，細胞壁的鋁含量僅剩不到5%［28］，證明半纖維素是擬南芥積累Al的主要細胞壁組分。NO也能通過促進水稻根細胞壁半纖維和果膠含量的增加，從而增加細胞壁的Cd積累并減少鎘向地上部運輸，提高Cd耐受性［29］。生長素能通過NOA途徑作用于NO上游從而降低細胞壁木葡聚糖含量，減少細胞壁中的Al含量，使得更多Al進入根系細胞內，導致擬南芥Al耐受性降低［30］。

木葡聚糖作為半纖維素主要成分，在金屬脅迫中尤為重要，擬南芥的木葡聚糖內源轉糖苷酶（XTH）的突變體XTH31，與野生型相比突變體的擬南芥更耐鋁脅迫，原因是突變體中XTH基因突變導致的根細胞中木葡聚糖的合成降低，而促使細胞壁結合鋁的能力降低［31］。同樣在含鋁的培養(yǎng)液中外源添加了木葡聚糖后，利用27Al-核磁共振證明了Al能木葡聚糖相結合，從而導致根系對Cd的積累減少，降低了Al毒害［32］。

乙酰化修飾在植物細胞壁抵抗非生物脅迫中起著十分重要作用［33］。擬南芥木葡聚糖0-乙?；潭冉档偷腶xy4-1、axy4-3兩個突變體與野生型相比，果膠含量、果膠中的Al含量和半纖維素含量基本沒有差異，但由于木葡聚糖0-乙酰化程度的降低而增加Al在細胞壁和根系中的積累，降低了Al的抗性。

擬南芥巖藻化的木葡聚糖含量降低的axy3.2、axy3.3兩個突變體與野生型相比，果膠含量、果膠中的Al含量和半纖維素含量都基本沒有差異，而由于巖藻化的木葡聚糖含量降低導致細胞壁結合的Al減少，更多Al進入細胞中，最終導致突變體Al抗性降低［30］。

2.3 細胞壁蛋白在植物有害金屬耐受性中的作用

植物在受到金屬脅迫后，細胞壁蛋白基因會快速表達，產生的相關蛋白能將金屬離子固定在細胞壁中，減少金屬離子進入細胞內，從而調節(jié)植物有害金屬耐受性［34］。細胞壁的蛋白中的氨基能與金屬離子相結合，提高植物耐受性［35］。水稻根尖細胞壁中富含羥脯氨酸的糖蛋白含量會因鋁脅迫而顯著增加并將Al3+固定在細胞壁中，從而減輕Al毒害［36］。大蒜在鉛脅迫下，根細胞壁富含半胱氨酸的蛋白會顯著增加并與鉛離子結合，將鉛離子固定在細胞壁中，從而減輕毒害［34］。對細胞壁關聯蛋白激酶（WAK）的研究發(fā)現，OsWAK11基因沉默的水稻突變體會對過量的銅脅迫變得十分敏感，而且銅脅迫下細胞壁的果膠和半纖維素含量會降低，果膠甲酯酶活性降低，細胞壁甲酯化程度提高，從而降低細胞壁對Cu的結合能力，使更多Cu能進入細胞內［37］。

果膠甲酯酶作為一種細胞壁蛋白，在果膠去甲酯化中起重要作用，能將果膠轉化成富含甲氧基的基團結構，其活性與細胞壁的pH以及結合于果膠的陽離子有關［38］。超表達AtPME3的擬南芥的突變體相較于野生型，對Zn脅迫更為敏感，這是由于突變體細胞壁蛋白質在經過高爾基體運輸時受干擾，從而影響到細胞壁的合成，最終導致細胞壁控制的細胞生長受到顯著抑制［39］。與Al耐性的水稻相比，Al敏感型水稻具有更高的PME活性［40］。進一步的研究發(fā)現低濃度Al處理時，Al敏感型水稻根系伸長抑制率達40%且根尖的8個PME家族基因表達上調，而相同的低濃度Al處理時，耐性品種水稻根系伸長不受影響，且有相同的6個PME基因表達上調，選取其中表達上調的基因OsPME14在耐性品種水稻中進行超表達，發(fā)現突變體的PME活性提高并且細胞壁對鋁的結合量也增加，并導致突變體水稻相對野生型對鋁脅迫更加敏，由此證明了PME能夠調控植物鋁抗性［5］。

有害金屬離子脅迫下，細胞壁果膠含量增加，PME活性也增強，調節(jié)果膠甲酯化程度，增加細胞壁對有害金屬離子結合能力，除此之外，半纖維素含量和半纖維修飾程度的改變都會影響細胞壁結合能力，從而降低金屬離子毒害（圖1）［26］。

圖1 細胞壁結構Fig.1 Structure of the cell wall

3 細胞壁在植物鹽分耐受性中的作用

3.1 細胞壁擴展蛋白在植物鹽分耐受性中的作用

鹽脅迫下植物能通過擴展蛋白控制細根尖細胞壁的伸展從而維持根的生長。擴展蛋白作為一類富含羥脯氨酸的細胞壁糖蛋白，參與調節(jié)細胞壁松弛和延伸性，增加細胞壁的韌性，從而緩解因水分脅迫對細胞造成的壓力，維持細胞生長［41］，因此擴展蛋白在植物抗鹽分脅迫中起著重要作用。擴展蛋白家族成員可分為α-擴展蛋白家族（Exp1～Exp5）和β-擴展蛋白家族（ExpB1～EXpB8），這兩類擴展蛋白均能使細胞壁松弛。

鹽脅迫下玉米葉片細胞的縱向伸長與擴展蛋白基因ZmEXPA1的表達上調密切相關［42］。用聚乙二醇處理模擬水分脅迫。100 mmol/L NaCl脅迫下，鹽敏感型玉米品種莖中ZmExpB2、ZmExpB6、ZmExpB8基因均表達下調，且莖生長受到抑制，EXPB的豐度降低，而抗性玉米品種的莖生長不受影響，EXPB豐度保持穩(wěn)定且ZmExpB2、ZmExpB6、ZmExpB8表達上調，因此認為鹽脅迫下玉米葉片的生物量降低與EXPB擴展蛋白的表達量降低密切相關［43］。過表達AtEXP3、AtEXP-β1都會導致擬南芥對鹽脅迫更加敏感，不同的是AtEXP3過表達會使擬南芥積累更多的活性氧，而過表達AtEXP-β1會使突變體中脅迫響應的基因COR15a和K1N1的表達水平降低［44］。擴展蛋白基因家族的成員眾多，功能也存在差異，鹽脅迫下某些擴展蛋白基因的表達會增加植物對鹽脅迫的耐受性，但也有一些擴展蛋白基因的表達會增加植物對鹽脅迫的敏感性。在鹽敏感的玉米品種中，鹽脅迫會使β-擴展蛋白含量降低，ZmExpB2、ZmExpB6和ZmExpB8的表達下降，而鹽抗性品種中，β-擴展蛋白的含量保持不變，但ZmExpB2、ZmExpB6和ZmExpB8的表達上調維持了鹽分脅迫下的β-擴展蛋白的穩(wěn)態(tài)，促進細胞膨大從而提高細胞鹽分抗性［45］。

3.2 細胞壁變化在植物鹽分耐受性中的作用

鹽分主要以離子態(tài)的小分子形式存在，會使活性氧（ROS）積累從而引起酚醛樹脂和細胞壁伸展蛋白的交聯，最終導致細胞壁硬化［47］，細胞壁的變化在植物的抗逆性中起著重要作用。SOS信號轉導途徑是植物一種重要的耐鹽機制，SOS基因介導信號轉導過程有6個關鍵基因SOS1、SOS2、SOS3、SOS4、SOS5、SOS6，其中SOS6和果膠生物合成酶（AtCSLD5）能通過其合成的壁聚合物調節(jié)細胞表面產生ROS，擬南芥SOS6的鹽超敏型感突變體中，AtCSLD5功能發(fā)生混亂，使得細胞壁發(fā)生缺陷，且ROS會更多的積累，導致氧化脅迫，從而使得突變體相較于野生型對鹽脅迫更為敏感［46］。中科院植物逆境中心趙春釗研究組鑒定出了植物細胞壁的L-阿拉伯糖（Ara）代謝的UDP-D-木糖-4-差向異構酶1（UXE1）的突變體對鹽脅迫敏感，證明細胞壁的阿拉伯糖代謝在植物鹽分耐受性中起著重要作用［47］。Endler等［48］鑒定出細胞壁纖維素合成酶復合體中的兩種蛋白，其有助于復合體與微管連接，對植物提高鹽分抗性十分關鍵。

鹽脅迫下，植物細胞壁的變化是如何被植物所感知并提高植物耐鹽性呢?近期中科院上海植物逆境中心朱健康團隊發(fā)現，正常條件下，擬南芥細胞壁中富含亮氨酸的重復伸展蛋白（LRX）3/4/5與多肽RALF22/23相互作用，從而防止RALF22/23與定位在質膜上的受體類激酶（FER）結合，最終抑制FER蛋白的內化。而鹽脅迫下，重復伸展蛋白（LRX）3/4/5能直接感知細胞壁中鹽誘導變化，并且RALF多肽和LRX蛋白會發(fā)生解離以將細胞壁信號轉導至FER蛋白上，以抑制FER介導的植物生長途徑。因此LRXS蛋白可通過與多肽RALFS以及受體激酶FER形成一個共同協調細胞壁完整性和鹽脅迫反應的信號通路，最終啟動鹽脅迫的反應機制［49］。

4 展望

植物細胞壁對非生物逆境脅迫的應答是一個十分復雜的生理生化過程，植物細胞壁對金屬離子的區(qū)隔化固定能夠減少金屬離子向原生質體的運輸，從而減輕有害金屬離子對植物的毒害。細胞壁對有害金屬離子的結合能力大小取決于細胞壁各組分負電荷量。細胞壁擴展蛋白基因的表達受鹽分脅迫的誘導，不同的擴展蛋白基因的作用時不同的，某些擴展蛋白基因的表達會增加植物對鹽脅迫的耐受性，但也有一些擴展蛋白基因的表達會增加植物對鹽脅迫的敏感性。擴展蛋白還能通過促進細胞膨大從而有助于細胞吸收水分，增強植物鹽分脅迫的耐受性。細胞壁的變化也在植物鹽分耐受性中起著重要作用，鹽分脅迫下，植物細胞壁的變化能被植物所感知從而使植物啟動耐鹽脅迫的反應機制。

目前植物細胞壁應答非生物逆境脅迫的機理研究已經取得長足進步，蛋白組學、分子生物學等新技術手段被更多地應用在該領域的研究中。今后的研究應更關注植物細胞壁是如何感受非生物脅迫信號的刺激，如何傳導刺激信號最后激活植物抗逆性反應機制等方面。