ABSTRACT

With the mining of manganese ore, more and more soils are contaminated by manganese. Therefore, researches focused on manganese toxicity and the response of plant to high concentration of manganese, playing an important role in controlling manganese-contaminated soil. This paper reviewed the toxic effects of high concentration manganese in plant seedling growth and development, and the response of plants to high manganese stress. The strategies included limited absorption of plants, efflux of manganese, metal chelation, regionalization and antioxidant systems, the proteins and genes involved in absorption and transportation of manganese in plants. Above all, we proposed several advices on the future scope of plants response to high manganese stress, which paved the way for phytoremediation technology to control soil pollution and improving the tolerance of crops to metal stress.

Keywords:Manganese Stress, Regionalization, Metal Chelation, Antioxidant System, Transporter Protein

植物响应高锰胁迫的研究进展

孙珂珂，胡亚，邓文彬，刘宇称，唐婷^*

湖南科技大学生命科学学院，重金属污染土壤生态修复与安全利用实验室，湖南 湘潭

收稿日期：2019年10月9日；录用日期：2019年10月31日；发布日期：2019年11月7日

摘 要

随着锰矿区的开采，越来越多的土壤受到了锰污染，关于锰毒和植物抗锰机制的研究对治理锰污染土壤具有重要的意义。本文综述了高浓度锰对植物不同组织生长发育和生理生化过程的毒害作用，并重点阐述了植物响应高浓度锰的策略：通过植物根系的限制吸收、锰离子的外排、金属螯合作用、细胞内区域化等被动逃避策略和启动抗氧化系统，合成锰的吸收、转运有关的关键蛋白质和基因表达等主动耐受适应策略。最后，本文综合以上研究进展，并提出了一些具有参考价值的展望，通过对植物抗锰机理进行不断深入的研究，以实现利用植物修复技术治理重金属土壤污染，为提高农作物对重金属胁迫的抗性提供了理论基础。

关键词 :锰胁迫，区域化，螯合，抗氧化系统，锰转运蛋白

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1. 引言

随着工农业发展，土壤重金属污染逐渐严重，且其污染具有隐蔽性、持久性和累积性，有害重金属通过土壤–作物系统进入食物链严重威胁着动物和人体的健康 [1]。土壤中锰含量超标主要源自于矿区开采，据统计全世界锰矿石开采量每年高达600万吨 [2]。再者，土壤中锰本是惰性金属，由于错误的施肥习惯，忽视有机肥的应用，有机质严重缺乏，导致土壤酸化，使本为惰性的锰变成游离态的锰，活性加大，增加了植物吸收锰的机率 [3]。推进锰污染治理是全面贯彻落实习近平生态文明思想，推进生态优先、绿色发展的重大实践，是打好打赢污染防治攻坚战的必然要求。因此，锰污染区域必须经过特殊的修复技术，并进行风险评价和连续检测，确保了有害重金属不会在植物内富集并通过食物链转移而危害其他生物健康，才可用于农业生产 [4]，其中，植物修复技术具有成本低、不破坏土壤组成、重金属可循环利用和美化环境等特点，而利用超富集植物对重金属污染土壤进行修复是目前植物修复的主要研究热点。

锰是植物生长发育的一种必需元素，在组成叶绿体结构，作为水光解的催化剂和调节氧化还原电位等方面发挥了重要的生理作用 [5]。然而，当土壤中锰含量过高，植物会发生锰中毒。在亚热带和热带酸性土壤地区，锰毒害是仅次于铝毒害影响植物生长最主要的限制因素。首先，过高含量的锰会快速诱导活性氧物质含量升高而造成氧化胁迫，会通过破坏类囊体结构和光合电子传递链而严重影响光合系统而降低光合效率，最终导致叶片枯萎和坏死 [6] [7]。其次，植物主根和侧根的生长发育也受到锰毒害的强烈抑制，由于根长期暴露在高浓度锰的土壤中，会出现褐化和断裂的症状 [8]。再次，在微观层面上，高浓度的锰还会使脂质、蛋白质和核酸等生命大分子物质发生降解，最终破坏细胞代谢导致细胞死亡 [9]。总之，锰毒害从各个层面上对植物的生长发育造成了如此严重的影响，应该引起广大研究者们的重视和关注。

面对高锰胁迫对植物的影响和危害，植物并非消极被动，而会通过一系列生存策略来响应高锰胁迫。植物抵御对重金属胁迫具有两条基本途径；一是重金属排斥性，即重金属被植物吸收后又被排出体外，或者重金属在植物体内的运输受到阻碍；另一途径是重金属积累，但可自身解毒，即重金属在植物体内以不具生物活性的解毒形式存在，如结合到细胞壁上、离子主动运输进入液泡、与有机酸或某些蛋白质的络合等 [10]。本文主要综述了植物以限制吸收，细胞内区域化和螯合高浓度的锰离子来实现逃避高锰胁迫的目的，通过过氧化酶清除锰胁迫造成的积累的活性氧物质，表达锰运输蛋白进行转移和外排体内高浓度的锰离子，从而增强对高锰胁迫的适应性和耐受性，并对今后植物响应锰胁迫的研究方向提出了展望。

2. 植物被动逃避高锰胁迫

2.1. 植物限制吸收

锰通常富含于土壤中，所以锰通过植物的根吸收进入，而对植物有效的锰形式有三种：直接以Mn²⁺形式存在的水溶性锰和交换态锰，以及以高价锰氧化物存在的易被还原为有效锰的易还原态锰 [11]。植物在面对锰毒害时，可通过将锰氧化成非有效价态的方式来降低植物对锰的吸收和运输，从而减少锰毒害，更增加了锰耐性。水稻根能将二价锰离子氧化成非有效性的四价锰化合物，从而限制水稻吸收锰 [12]。淹水土壤中的根可通过形成明显可见的锰氧化物胶膜的方式来有效地阻止植物过量吸收二价锰离子 [13]。另外，植物还可以通过多种方式来阻止Mn²⁺进入植物体内。赵中秋等发现菌根尤其是外生菌根能够显著提高植物的重金属耐受性，除此之外植物的根系还可以分泌改变根际的pH值和氧化还原状态的物质以及根际微生物以减少或阻止有害重金属进入植物 [14]。在高浓度锰处理下，氧化菌的活性增加使锰被氧化成非有效价态，结果减少了植物对锰吸收，增强了耐受性，因此含菌根植物如大豆的锰毒症状数天后缓解了 [15] [16]。

2.2. 植物外排

当植物体内的重金属达到一定量后，有些植物能够将多余的金属排出体外，进而降低毒害。白羽扁豆的锰只能在老叶中积累，不能移动；且根际土壤中含有较高浓度的锰，说明根能通过某种机制将锰排出体外 [17]。在篦齿眼子菜(Potamogeton pectinatus L)中，当锰累积到上限时，Mn²⁺被氧化为Mn⁴⁺，通过叶片衰老排出体外 [18]。角菱(Trapa natans)也可通过叶片表皮毛分泌锰-酚类螯合物来解毒 [19]。因此，不同的植物面对锰毒害，其外排方式具有特异性。

2.3. 区域化存储

区域化作用是指植物将有毒的金属离子转运和贮存在特定的组织器官或细胞的特定区域，降低代谢活性区域的金属离子浓度。这是一种提高植物耐金属能力的重要机制 [20]。通过对商陆和水蓼研究发现，叶片是锰的主要累积器官，而叶的边缘和表皮层是锰积累和解毒的主要组织 [17] [18]。在叶片中，细胞质可溶性部分锰含量最高，而液泡中锰含量占叶片细胞的95%，可推测液泡是叶片中过量锰的积累细胞器 [21]。锰可以在液泡中固存，并被转移到内质网和高尔基体中，P型ATP酶家族的AtECA 3和CDF锰转运体AtMTP 11可通过高尔基装置参与锰的解毒作用 [22]。在胞囊藻PCC 6803中，位于细胞质膜和类囊体中的转运体SynPAM 71可以介导锰从细胞质出口转移到细胞质周围和腔室，从而将锰以与外膜结合或者储存到专门的锰储存蛋白(如MncA)的方式储存在不干扰细胞质代谢过程的地方，提高植物对锰的耐受性，在一定范围内维持锰的稳态 [23]。根的细胞壁也是重金属的贮存库，因为细胞壁上有大量的阳离子配位，所以锰能大量结合在根的细胞壁上，只有当金属与细胞壁结合达到饱和时，多余的锰才会进入到细胞质中，这会导致锰向地上部分转移的能力减弱，这可能也是植物耐锰的一种策略 [17]。在锰富集植物中，锰主要积累在液泡中；在非富集植物中，锰主要积累在根的细胞壁，因此，不同锰富集能力的植物具有不同的存储区域 [24]。

2.4. 螯合作用

植物通过螯合作用形成的各种锰–螯合分子可以降低锰的毒性，对于植物中锰的吸收，转运，外排也有直接影响，是植物应对锰胁迫的重要解毒和耐受机制之一。植物根际可以分泌有机酸到土壤中，在体外螯合锰以降低根系周围锰浓度，减少根对锰的吸收。重金属会与有机酸络合在液泡中以降低其植物毒性，从而不影响细胞的正常代谢活动 [17]。在商陆中锰主要与草酸络合，研究发现草酸与锰结合最为稳定 [24] [25]。在高浓度的锰处理下，贵州风毛菊根部通过增加苹果酸脱氢酶介导苹果酸合成和渗出量，以提高对锰毒害的耐受性 [26]。豇豆中80%的根际锰离子都能与柠檬酸结合 [27]。此外，植物体内的螯合剂还通过螯合作用形成各种Mn–螯合物大多通过金属转运蛋白转移到叶片的表皮层、叶肉细胞的液泡和细胞壁中，从而减轻锰毒对植物代谢活跃部位的伤害。有些植物形成的Mn–螯合物会排出体外使细胞免受锰毒。例如角菱中锰与酚类化合物螯合后可以通过特化的结构毛状体分泌到体外，减少植物中锰的积累 [28]。

金属硫蛋白(MTs)和植物螯合肽(PCs)是目前研究较为深入的螯合剂。MTs是一类含有较多半胱氨酸残基、分子质量较小的金属离子结合蛋白 [29]。MTs中富含大量巯基有利于它与重金属的结合。美洲商陆根部胱氨酸含量较高，而胱氨酸中含有活性巯基，且根部总巯基含量较高，巯基有利于与重金属结合，因此推测美洲商陆的极强环境适应性可能与巯基有关 [22]。大米和西瓜中的重组MTs可以有效地清除巯基自由基，有利于减轻高锰胁迫带来的氧化损伤 [30]。

PCs是一类富含Cys的肽，在自然界广泛存在，由谷胱甘肽通过植物螯合肽合成酶而催化合成。PCs中巯基与金属离子螯合，通过Hmt1，Hmt2膜转运蛋白、H⁺/Cd²⁺逆向转运蛋白运输到液泡，实现对金属离子的固定 [31]。吴惠芳等研究发现龙葵和小飞蓬中PCs和谷胱甘肽含量随锰浓度增加而显著升高(p < 0.05) [32]。另外，有机酸也是限制植物体内锰浓度的重要螯合剂之一。薛生国等通过FTIR法研究发现，酸模叶蓼根和叶分别在2 920 cm⁻¹和1 630 cm⁻¹处表现为分泌有机酸不断螯合植物体内的锰，这表明有机酸与锰螯合可能是锰超累积植物叶片锰累积和解毒的重要机制 [33]。

3. 植物主动适应高锰胁迫

3.1. 抗氧化系统

O₂是植物生命活动所必需的相对稳定的气体，但当O₂被部分还原时会产生具有反应活性的活性氧(ROS)，包括O²⁻、H₂O₂和O₃等 [34]。在正常的生长条件下，植物体内活性氧物质的产生和清除处于一种动态平衡状态，然而，当植物遭受高锰胁迫时，体内细胞会产生并积累大量活性氧，造成植物体内活性氧代谢失调。高锰胁迫下，植物产生过多的活性氧，得不到有效清除的ROS会诱导细胞内膜脂发生氧化或脱脂作用，破坏细胞膜系统，导致膜脂过氧化物丙二醛(MDA)大量累积，从而对植物产生毒害效应 [35]。MDA是植物细胞膜脂过氧化的终产物之一，其含量高低可以作为考察细胞受胁迫严重程度的指标之一，MDA含量越高，说明植物细胞膜过氧化程度越高，锰毒害越严重 [36]。MDA可以结合质膜上的蛋白质，与之交联，使之失活，导致膜通透性增加，使细胞膜结构和功能受到损伤，引起细胞代谢紊乱 [37]。

抗氧化系统是植物受逆境胁迫时抵抗不良条件的重要机制，主要通过抗氧化酶类如过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)以及非酶性的抗氧化物质如抗坏血酸和谷胱甘肽(GSH)等消除或减少ROS带来的伤害 [38]。SOD是植物体内一种重要的保护酶。SOD通过与超氧阴离子O²⁻发生歧化反应生成H₂O₂和O₂，随后由POD和CAT可以催化H₂O₂分解为水，从而有效清除ROS，以防止氧自由基对植物细胞结构、功能等进一步破坏 [33]。植物在正常生长的情况下，SOD活性处于正常水平，但是当植物处于逆境胁迫时，就会引起SOD活性的变化 [39]。在低浓度重金属胁迫下，植物体内所具有的活性氧清除酶系统和具抗性特征的生理活动被诱导而加快，SOD在此诱导下，其活性逐渐增加，用以清除重金属胁迫导致植物体内所产生过多的O²⁻，但是当重金属浓度太高时，植物体中的O²⁻的增加超过了正常的歧化能力极限并对组织细胞多种功能膜及酶系统进行破坏，以至抑制SOD活性增加而急剧或缓慢下降 [19]。玉米ZmbHLH105通过调控抗氧化机制介导ROS的清除以提高对锰毒害的耐受性 [40]。植物体内的H₂O₂若得不到及时清除，将有部分被瞬时重金属离子催化还原成更高毒性的羟自由基( $\cdot \text{OH}$ ) [41]。此外，植物还可以通过抗坏血酸(AsA)与谷胱甘肽(GSH)组成的AsA-GSH 循环系统(Halliwell-Asada途径)来消除H₂O₂ [42]。

3.2. 锰转运蛋白

重金属转运蛋白基因在植物重金属胁迫中起着非常重要的作用，近年来研究者们发现了多种植物重金属转运蛋白，其中参与植物锰离子运输的蛋白主要包括Nramp (natural resistance-associated macrophage protein transporters)家族、MTP (metal tolerance protein)、ZIP (zinc-regulated transporter/iron-regulated transporter related protein transpoeters)家族转运蛋白、ABC (ATP-binding cassette)转运蛋白家族、YSL (yellow stripe-like)蛋白家族、CAX (calcium exchanger)离子交换蛋白家族等，但它们并不是专一的锰转运蛋白，还能够转运多种其他金属离子 [43]。

Nramps在植物中能够运输各种金属，包括Fe²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺和Cd²⁺。植物的Nramp基因家族可以分为两个亚家族：AtNramp1、6与OsNramp1、3为第一亚家族，AtNramp 2~5与Os Nramp 2为第二亚家族，其中AtNramp1，AtNramp3，AtNramp4和LeNramp1，LeNramp3均能够转运锰离子 [44]。Nramp5位于植物外胚层细胞和内胚层细胞中质膜远侧，是最主要的锰运输蛋白，其转录水平并没有受锰离子浓度升高的影响，可能是受到转录后调控降解的原因 [45] [46]。不同植物的Nramp家族成员具有组织表达特异性。AtNramp1是拟南芥中的主要高亲和性锰转运蛋白，定位于质膜，其功能是将重金属转运至细胞质，其表达量受到锰离子缺乏的强烈诱导 [47]。在低锰条件下，Nramp2参与锰从高尔基体向胞浆的转运，从而促进锰的再利用 [48]。Nramp家族的Mnt H转运蛋白转运锰离子是依赖于质子的电化学梯度驱动锰离子的转运 [49]。另外，ZmbHLH105可增加锰耐性很可能是通过抑制锰转运体NRAMP3和IRT1的表达来降低Mn积累 [40]。目前关于Nramp家族的对锰离子的转运主要集中在低锰或缺锰条件下，关于其在锰毒害时的转运功能还有待深入研究。

金属耐受蛋白(MTP)是阳离子外排转运蛋白的基因家族，在植物中广泛存在，且对植物的金属稳态和耐受起重要作用，MTPs蛋白家族分为7组，分别为Group 1，5，6，7，8，9和12，其中Group 8和9 (包括MTP8-11)属于Mn-CDF (cation diffusion facilitator)，Group 6 和7属于Zn/Fe-CDF，Group 1和5和12属于Zn-CDF [50]。例如，CsMTP8是野茶树中的Mn-CDF，定位于细胞膜，可将锰转运出细胞，提高植物对锰毒害的耐受性 [51]。OsMTP11是水稻中典型的Mn-CDF，定位于细胞质内膜系统，主要在成熟的叶片，根和茎中表达，可以驱动锰离子外排到细胞外区室，是水稻中重要锰转运蛋白 [52]。OsMTP8.1参与水稻对高浓度锰离子的运输，其功能缺失的突变体出现叶片萎蔫和坏死的锰中毒症状 [53]。此外，OsMTP9将锰离子通过木质部从根运输到茎，然后通过OsNramp3分配到衰老组织中 [54] [55]。综合以上，说明MTP可能是一种专一锰转运蛋白家族。

ZIP家族转运蛋白具有广泛的底物结合专一性，Fe²⁺转运蛋白At IRT1 (iron regulated transporter)除能够转运铁外，还能够转运其它金属离子，如Cd²⁺、Zn²⁺和Mn²⁺，有研究表明IRT1是植物Mn²⁺吸收途径中主要的转运蛋白 [11]。

ABC家族转运蛋白是一类普遍存在于原核和真核生物细胞中的超家族膜整合蛋白，定位于液泡膜上或者质膜，通过结合和水解ATP来获得能量，将多种底物分子转移出(入)细胞或细胞器。它可以将重金属以植物螯合肽结合物的形式转运至液泡中，并区隔起来，或者直接将金属离子结合物或裸金属离子转运出细胞膜外，从而提高细胞的重金属耐性，如拟南芥ABC载体家族中At PDR12表达植株表现出更高的铅耐受力，推测At PDR12可能作为离子泵排出铅或者缓冲其毒性 [56]。此外，Song等在水稻中发现ABC载体家族中的OsABCC1表达的植株表现出更高的砷耐受力 [57]。At ABCC3能够介导PC-Cd复合体的运输，同时其活性受镉的调控 [58]。植物ABC家族虽然对多种重金属解毒方面具有重要作用，然而关于ABC在高锰胁迫时的转运功能的研究较少。

黄色条纹转运蛋白(yellow stripe-like, YSL)是寡肽转运蛋白(OPT)家族的一部分，通过植物细胞膜负责烟酰胺–金属螯合物的转运，一般参与金属摄取和其从根到叶的长距离运输。NA (nicotianamine) 是金属螯合剂，主要螯合Fe²⁺，也能够螯合Mn²⁺，金属-NA复合物是YSL转运蛋白的潜在底物 [59]。

CAX家族是钙离子/阳离子反向转运体，大多定位于植物液泡，主要利用氢离子梯度促进植物中重金属离子向液泡积聚。在拟南芥，两种CAX蛋白，AtCAX2和AtCAX4也在将Mn封存到液泡中以解毒起作用。AtECA1和AtECA3，其中属于P型ATP酶的Ca²⁺-ATPase亚家族超家族，充当Mn²⁺泵去除多余的锰 [60]。

4. 结论和展望

综上所述，锰对植物生长发育多方面和从整体植株，组织，到细胞分子等不同水平都产生了不同程度的影响和危害，而且锰毒害的机理十分的复杂且相互联系。植物在面对锰毒害时首先选择逃避策略，经过长期的适应，也形成了独特的耐受高锰环境的策略。从宏观方面讲，根系限制吸收和外排；从微观方面讲，细胞内的区域化存储、螯合、抗氧化和相关的转运蛋白及基因(图1)。植物发展出了许多耐性机制，但这些机制都具有一定的局限性，目前还没发现一套存在于植物体内的普遍性的耐锰机制。根据目前锰对植物的毒害和植物耐锰机制的研究现状，以后的研究方向可以注重以下几个方面：

图1. 植物对高锰胁迫的响应策略 [11]

1) 细胞壁上耐锰代谢物质的研究。细胞壁是细胞的第一道屏障，因此物质进出细胞首先接触的就是细胞壁。其中肯定有一些耐锰的机制以及涉及到的一些物质如蛋白和基因等。植物在体内的存储区域除了液泡和细胞壁之外，是否可以储存在其他细胞器中，比如叶绿体，毕竟植物的光合作用需要锰的参与。

2) 锰和其他离子可以相互作用，影响植物对锰吸收，其中的具体原理是怎样的还未研究清楚；植物螯合肽能够缓解重金属的毒害作用，但它的高剂量表达需Cd的激活。如何利用它增强植物对锰的耐受和积累等问题目前还有待进一步研究。黎晓峰等报道了氮源影响锰的吸收情况 [61]，但具体影响锰毒的机制还不清楚。例如氮素是否影响锰在植物中的有效形态，如何影响锰在植物体的转运等等，都需要进一步研究。

3) 关于特异性重金属转运蛋白和相关调控基因的研究。目前，许多研究者已经发现了一些锰转运蛋白和基因。但这些转运蛋白大都可以转运多种金属离子 [18]。转运蛋白基因的拓扑结构、表达机制，转运蛋白的具体转运机制以及蛋白之间的协同作用可以作为接下来的研究重点。另外，动物对锰胁迫的响应机制与植物的有所不同，将动物体内有关的耐锰基因或重金属蛋白转入植物体内也是有重要的理论意义和潜在的实用价值。因此，加强对锰转运蛋白基因家族功能以及调控机制的研究，为培育耐受高锰胁迫的优良农作物提供了基因资源，奠定了理论基础。

基金项目

湖南省教育厅科学研究项目(18B215)资助。

文章引用

孙珂珂,胡 亚,邓文彬,刘宇称,唐 婷. 植物响应高锰胁迫的研究进展
Advances in Research on the Response of Plants to High Manganese Stress[J]. 植物学研究, 2019, 08(06): 445-153. https://doi.org/10.12677/BR.2019.86056

参考文献