中国水稻信息网 C.N.R.R.I.

　　铝是地壳中含量最丰富的金属元素(约占7％)，以铝硅酸盐形式存在。铝毒是酸性土壤限制作物生长的主要原因，目前世界上超过40％农用耕地受到铝毒的危害，特别是热带地区。近几年来，由于工业的迅速发展，环境污染越来越严重。我国的酸雨覆盖率已占国土的30％左右。酸雨降低了土壤的pH值，导致有毒性的铝逐渐释放出来，严重危害农作物的产量和品质，引起了许多学者的广泛关注。铝对细胞的毒害大致有以下几个特点：(1)铝毒诱导细胞坏死(necrosis)或程序性死亡(programcell death，PCD)，这是细胞遭受铝毒2种可能反应；(2)铝毒影响细胞壁发生物理和化学变化；(3)铝毒影响细胞营养物质代换；(4)铝毒诱导细胞分泌特异性物质，植物根边缘细胞(root border ceils)及其胞外分泌物的分泌成为研究热点。

1 不同形态铝对细胞的毒害

　　在湿热气候条件下，铝硅酸盐强烈脱硅富铝化，在酸性土壤中易形成对植物有毒害的Al³⁺，浓度较高时，铝迅速抑制根系伸长，随后阻碍根系分支的形成，这是酸性土壤作物产量的主要限制因子。铝在pH<4时，以可溶性的Al³⁺ 形式为主，pH>4时，Al³⁺ 浓度急剧下降，铝的形态也发生变化，形成羟基铝类，如Al(OH)²⁺和Al(OH)₂⁺；当pH 5．5以上时，Al³⁺ 量就微乎其微了。目前，通常认为Al³⁺ 对植物的毒性最大。然而近年来的研究发现，无机铝单体中以羟基铝离子AI(OH)²⁺和Al(OH)₂⁺对大豆等双子叶植物产生毒害的最主要形式，其中又以Al(OH)₂⁺的毒性最大。Wagatsu-ma等人通过对燕麦的研究，也认为羟基铝毒性最大。在铝的水溶液中，随着铝浓度的上升，尤其是溶液被部分中和时，除形成Al(OH)₃ 外，还会形成一种毒性较大的Al₁₃(AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H₂O)₁₂⁷⁺，但在自然条件下酸性土壤溶液中是否会产生Al₁₃目前仍无报道。

2 细胞对铝毒的反应

2．1 铝毒诱导细胞反应的作用位点

　　植物受铝胁迫几分种之内根系的伸长显著受抑，最近的综述一致认为根尖是感应铝并产生应激反应的主要部位。因为：(1)作为铝敏感指标的铝的累积出现在根尖末端；(2)抗铝毒的机理，如复合铝的有机酸化合物的分泌，主要限于根尖；(3)胼胝质的形成，是铝毒的敏感标记，主要在根尖细胞的外皮层诱导产生。自从Ryan等提出根尖是植物铝毒的主要位点以来，Sivaguru和Horst提出铝敏感玉米主根末梢区是最容易受到铝影响的部位。随后，Sivaguru等和Horst报道铝改变微管和肌动蛋白微纤丝的有序组织，对根尖末梢过渡区影响最严重。
　　关于铝毒作用位点，尽管围绕铝作用于根系共质体还是质外体还存在争议，越来越多的证据表明质外体在铝毒的感应中起重要作用，铝牢固结合在根表皮和皮层细胞壁上，主要对根系外围细胞产生质外体伤害，如干扰细胞壁组装，离子的外流，及细胞膜性质等基本过程。Tabuchi等研究表明，铝改变根系细胞壁组分的代谢，使细胞壁加厚、变硬，从而阻碍根系的伸长。Horst研究证明了玉米不同末端根区果胶含量在铝胁迫中的作用。除细胞壁负电性和阳离子交换力外，复合铝的有机化合物的分泌和维持较高的质外体pH值可能在不同品种或基因型对铝毒的反应中有另外的或许更重要的作用。由于铝毒的早期反应是细胞骨架的有序组织遭到破坏和稳定性降低。因此细胞骨架一细胞膜-外基质连续体被认为是铝毒的主要位点。

2．2 铝毒诱导细胞死亡机制

　　铝毒诱导细胞死亡的机制现已成为研究热点。Morimura认为，铝主要抑制根尖分生组织的细胞分裂。根系在铝处理后几小时内细胞分裂就停止，以后虽然又恢复分裂，但细胞分裂的速度要比未经铝处理的要低。周建华等认为大麦根在铝毒害下，根冠和生长点细胞出现液泡化，根冠细胞的淀粉粒数量也随之减少，出现液泡化的细胞不再出现有丝分裂。
　　Ikegawa等用铝处理烟草悬浮细胞时发现，在铝处理过程中或铝处理后无铝恢复培养过程中，细胞生长受到很大抑制，并伴随大量的细胞死亡。因此，他们推测铝毒引起的细胞生长抑制很可能通过铝诱导细胞死亡来实现的。最近的一些报道表明，铝毒能诱导动植物细胞产生活性氧(reactive OX-ygen species，ROS)，并激活一些氧化酶的活性。低浓度的ROS能提高植物细胞的抗氧化防御机制，从而清除活性氧，使细胞不受伤害。但毒性很强的羟基自由基可以氧化植物细胞内的所有生物分子，使细胞受害甚至死亡。羟基自由基可以从DNA分子中的含氮碱基或磷酸戊糖骨架上夺去或添加氢原子，使其原有的维持DNA双螺旋结构稳定的氢键遭到严重破坏；ROS也能够氧化蛋白质侧链中的His，Arg，Lys，Pro，Met，Cys等氨基酸残基，导致蛋白质变性高级结构解体；而ROS的另一个主要攻击目标是质膜和细胞器膜中的不饱和脂肪酸(亚油酸、亚麻酸)，引起膜脂过氧化，膜透性增大，细胞内容物大量外渗，细胞发生死亡。
　　目前，人们普遍认为，ROS与植物细胞的程序性死亡(program cell death，PCD)有关；在植物的PCD过程中ROS可能起两方面的作用，一是作为信号分子启动引起细胞死亡的反应，二是在植物细胞的死亡过程中起直接的作用。不过PCD和坏死也可能是由同一ROS信号起始的相同过程的2种不同结果。Richard等人和Ezaki等人已经证实了铝毒能诱导拟南芥(Arabidopsis thaliana)产生ROS，一些氧化胁迫相关基因已被克隆和鉴定。Pan等用高浓度铝处理(0．1~1．0 mmoL)大麦敏感品种的根尖8 h后，根尖细胞DNA出现降解，电泳时出现清晰的DNA梯状条带(DNA lad-ders)，证实了铝毒诱导的细胞生长不可逆抑制是起源于细胞死亡。因此，铝很可能通过诱导植物细胞产生ROS，再由ROS作为信号分子激发细胞程序性死亡的信号传导途径。并且细胞死亡程序一旦被打开后，是不可逆转的，这些细胞注定要死亡。这可较为合理地解释为什么铝处理后进行无铝恢复培养时仍伴随大量细胞死亡。但仍需更多的试验证实。

2．3 铝毒诱导细胞壁反应

　　铝在根尖细胞壁上的积累是铝对植物根尖产生铝毒的先决条件，是植物铝毒敏感性的重要特征。而细胞壁的产生和裂解、细胞壁化学成分的改变或细胞间位置的改变都与植物的发育密切相关。所以铝如何结合到细胞壁上，并且是如何在壁上起作用的，已逐渐成为研究热点。一种观点认为由于细胞壁带负电荷，外源阳离子能通过离子交换的形式结合到细胞壁上，细胞壁阳离子交换能力(cationexchange capacity，CEC)越强，Al3+结合到壁上越多，毒害就会越大。然而，不同的研究者得出的结果并不相同。另一种观点认为果胶(pectin)是Al结合到细胞壁的主要位点。果胶是一种富含半乳糖醛酸(galacturonic acid，Ga)的多糖，是初生细胞壁的主要成分(约1/3)这一观点得到以下几方面研究支持：(1)植物遭受铝毒时伴随着B-葡聚糖的积累，而且Matsumoto等研究表明，B-葡聚糖的积累与根细胞内铝浓度成正相关，与根伸长成负相关。这说明铝处理与多糖转化有一定关系，而果胶又是细胞壁中容易转化的多聚糖；(2)果胶甲基酯酶(pectin methylesterases，PME)对铝处理敏感，在铝敏感植物中随铝浓度升高，PME活性显著升高，而PME具有促进果胶去甲基化的作用。(3)铝处理后细胞壁成分发生变化，纤维素、半纤维素和果胶含量发生变化。

2．4 铝毒对细胞营养物质代谢的影响

　　　　在铝的长时间处理中，铝毒常常表现为Ca的缺乏，所以有人认为铝毒诱导根伸长的抑制可能是通过抑制Ca²⁺ 的转运来实现的。然而Ryan等人证实，利用低浓度铝溶液能抑制小麦根生长，但并不影响对Ca的吸收；而加入其它离子(如Na、Mg)可改善铝处理引起的根伸长受抑，但同时也抑制对Ca的吸收。Siegel和Haug基于Haug的试验结果提出铝生理毒害的一个重要靶位点可能是钙调蛋白(CAM)。Haug利用多种方法检测Al³⁺ 对CaM的影响，并使用平衡渗透法测量了结合于CaM的Al³⁺ 含量以及Al³⁺ 对磷酸二酯酶活性的影响。但是另一些结果则对上述假设提出质疑，You和Nelson重复了Siegel等的试验，发现，在接近生理pH(5.5，6.5)条件下Al³⁺ 对CaM的结构没有影响，而Martin重新分析了Siegel的数据，更是直接指出了他们试验错误的计算了溶液中Al³⁺含量，事实上，Al³⁺ 并不能和CaM紧密结合。所以，该假设需要进一步研究。
　　Poschenrieder等人研究表明，至少在短时间内，铝并没有抑制玉米根细胞对Ca、Mg、P等(除B外)的吸收，同时他们也发现，低pH既能抑制细胞对营养物质的吸收，又能抑制根的伸长，并且两者呈密切关系；低pH+Al却没有抑制细胞对营养物质的吸收，但加重了对根伸长的抑制，这表明，低酸和铝毒很可能是通过不同途径对植物产生毒害。迄今铝毒对营养元素的吸收影响，已有了大量的结果，但多是自相矛盾，这可能是研究方法或者植物物种的不同，而得到不同结果。

2．5 铝毒诱导细胞胞外分泌物分泌

　　胞外分泌物最初的研究是从藻类、细菌和真菌开始的。Bell等人指出，藻类细胞生长过程中，不断向周围释放许多代谢产物，使藻类细胞周围形成一种独特的可称为藻际(phycosphere)的微环境，通过微环境与周围环境起作用。边缘细胞是从根冠表皮游离出来并聚集在根尖周围的一群特殊细胞，以前曾称为根冠脱落细胞(sloughed root cap cells)。Hawes等将这类细胞称之为根边缘细胞(Root bor-der cells)，以强调这类细胞是位于根表面与土壤之间、有生物活性的生物边界层(biotic boundary lay-er)。而根边缘细胞从根尖分离后，同样向外面分泌一系列化学物质，包被在边缘细胞的外侧，形成一个独立的区域，有人也把这些分泌物称为边缘细胞的粘胶层，主要是糖类、小分子蛋白、氨基酸、花色素苷、酚类及类黄酮抗生素、过氧化物酶、半乳糖苷酶以及边缘细胞游离过程中产生的一些细胞壁降解物所组成。Miyasaka等用铝处理离体的根边缘细胞时，发现随着铝浓度的增加，边缘细胞的胞外分泌物也随着增加。在低浓度下，细胞的死亡率随着铝浓度的上升而上升，但当铝浓度增加到一定程度时，细胞的死亡率反而下降，这表明胞外分泌物在铝毒中可能起作用。而根尖的粘胶层大多是由这些细胞分泌的，黎晓峰等从根尖分泌物中分离出了粘胶——Al复合物，利用高效液相色谱仪可以把这种复合物分离成糖和铝2种成分，同时粘胶中也含有酸性磷酸酶，这表明胞外分泌的糖可能在抗铝毒中起作用。这可以由以下4点来推测：(1)植物遭受铝毒时伴随着B-葡聚糖的积累和根伸长受阻；(2)York发现木葡聚糖抑制2,4-D刺激的豌豆茎切段的伸长；(3)植物遭受逆境时，在细胞壁外层及细胞间隙中分布明显的糖蛋白；(4)寡糖诱导的防卫过程中有磷酸化和去磷酸化的过程，而在植物遭受铝毒时，根尖细胞也存在着这种过程。
　　除糖之外，根系分泌物中的有机酸对铝的鳌合作用被认为是铝外部解毒的重要机理之一。Mi-yasaka等报道耐铝型菜豆品种根系分泌的柠檬酸是敏感型品种的10倍。在某些情况下，铝可刺激耐铝型植物种类和作物品种分泌有机酸，且分泌的有机酸有随外界铝浓度的增加而增加的趋势。有机酸是一种带有一个或多个羧基功能团的低分子量的碳氢氧化合物，易和金属发生络合或鳌合作用，或产生阴离子的交换作用。因而有机酸能与金属形成稳定的复合体，将离子态的金属转变成低毒或无毒的鳌合态形式，减轻过量金属对植物的毒害效应，这一观点已得到普遍的关注和认可。

3 研究展望

　　铝对细胞的毒害和细胞耐铝反应是复杂的生物学过程，也是生物体内外多种因素共同作用的结果。在今后的研究中还应该注意以下几个方面：(1)铝毒害下细胞基因的反应机制，如Al R1ALU1-P(Al Resistance Protein gene)、BCB(a gene for BlueCopper Binding Protein)等基因的表达被认为与铝抗性有关，但是其中表达的蛋白质所起的作用及其机理等问题还不明确，而且植物遭受毒害时植物各种基因的变化和反应机制也并不是很清楚；(2)铝毒害对细胞信号转导途径的影响，细胞周期调控的影响以及细胞遭受铝毒害后的特异性信号研究应该成为研究的一个方向；(3)铝毒害导致的植物根尖边缘细胞的死亡和胞外分泌物的分泌如多糖和有机酸，以及铝毒害诱发的细胞程序性死亡等方面的研究已取得初步成果，有待进一步的深人；(4)利用模式生物进行金属离子毒害等相关的基因组学和蛋白质组学的研究也将成为今后揭示铝毒害机理的重要手段。
注：
　　（1）文章来源：华中农业大学，2005年第24卷第3期；
　　（2）作者单位：四川农业大学，等。

(浏览次数：2565)