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植物响应镉胁迫的生理生化机制研究进展
植物学报
2021, 56 (3):
347-362.
DOI: 10.11983/CBB20160
镉(Cd)是一种分布广泛且污染严重的重金属; 其毒性大, 不仅影响植物的生长发育, 而且危害人类健康。该文对植物Cd胁迫的生理生化响应方面的最新研究进展进行了总结概括。从植物光合系统、活性氧、活性氮、抗氧化防御系统、激素、钙信号、蛋白和基因等方面, 概述了植物对Cd胁迫的响应及应答机制, 探讨了植物对Cd胁迫响应机制的研究方向, 旨在为今后开展植物响应Cd胁迫的生理生化及分子机制研究提供理论依据。  View image in article
图1
Cd胁迫下植物体内主要生理生化代谢的响应机制
ABA: 脱落酸; IAA: 吲哚乙酸; SA: 水杨酸; JA: 茉莉酸; SOD: 超氧化物歧化酶; CAT: 过氧化氢酶; APX: 抗坏血酸过氧化物酶; GPX: 谷胱甘肽过氧化物酶; DHAR: 脱氢抗坏血酸还原酶; GR: 谷胱甘肽还原酶; GSH: 谷胱甘肽; CBS: 胱硫醚β-合酶; ATPS: ATP硫酸化酶
正文中引用本图/表的段落
镉(Cd)因其在土壤中移动性强、毒性大、污染范围广和检出频率高等原因, 被联合国环境计划署(United Nations Environment Programme, UNEP)列入可引起人类癌症的致癌物质(UNEP, 2008; DalCorso et al., 2008; 付铄岚等, 2017)。土壤中的Cd被植物吸收后, 会随着食物链在高营养级生物体内富集, 诱发人体骨质疏松并损坏肾脏, 导致人体慢性中毒, 甚至出现免疫系统、神经系统及生殖系统损伤等疾病, 对人类健康造成严重的威胁(Lalor, 2008; Clemens et al., 2013)。由于Cd对各种环境及生物体的长期毒性作用, 其已成为全社会关注的焦点(Nagajyoti et al., 2010; Etesami and Jeong, 2018)。有研究表明, 植物对Cd污染会产生一系列的应激反应, 如氧化应激、酶活性和植物信号物质(激素和钙离子)失衡, 导致光合系统受损、质膜过氧化、细胞损伤、酶活性改变、内质网胁迫、蛋白质降解、DNA损伤或突变, 从而影响其生理生化代谢过程, 最终使植物生长受到抑制, 甚至死亡(Sanità di Toppi and Gabbrielli, 1999; DalCorso et al., 2008; Nagajyoti et al., 2010; 杨正婷和刘建祥, 2016; Shahid et al., 2019; 张瑛等, 2019) (图1)。此外, 植物对胁迫的响应是一个联合的信号通路和网络调控(郭倩倩和周文彬, 2019; 苗青霞等, 2019)。目前, 国内外在植物对镉的吸收、积累和转运或镉对植物产生的毒害和抗镉生理及分子机制等方面已有大量研究, 而有关植物对重金属镉胁迫的主要代谢过程的应答机制报道较少。本文综述了植物响应镉胁迫的生理生化代谢变化及其应答机制, 为深入理解镉胁迫下植物的代谢差异、认识植物的抗镉策略, 及未来作物育种和环境修复提供理论依据。
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶。ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮。GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同 镉胁迫对玉米光合特性的影响 2 2010 ... Cd胁迫影响植物光合器官的叶绿素含量和碳代谢酶活性并破坏植物的光合结构, 从而降低植物的光合速率.有研究表明, 土壤中较高浓度的Cd污染, 可显著降低玉米(Zea mays)的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量(
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同 外源镉胁迫对玉米幼苗光合特性的影响 2 2008 ... Cd胁迫影响植物光合器官的叶绿素含量和碳代谢酶活性并破坏植物的光合结构, 从而降低植物的光合速率.有研究表明, 土壤中较高浓度的Cd污染, 可显著降低玉米(Zea mays)的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量(
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
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AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
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MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
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AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同 Effects of calcium application on activities of membrane transporters in Panax notoginseng under cadmium stress 1 2021 ... 活性氮(RNS)主要包括一氧化氮(NO)、S-亚硝基硫醇(SNOs)、高氮氧化物(NOx)、二硝基铁配合物和过氧亚硝酸盐(ONOO) 5种.过量的RNS会与脂类、蛋白质和核酸发生反应, 导致细胞损害( RETRACTED: the interplay between reactive oxygen and nitrogen species contributes in the regulatory mechanism of the nitro-oxidative stress induced by cadmium in Arabidopsis 1 2018 ... 活性氮(RNS)主要包括一氧化氮(NO)、S-亚硝基硫醇(SNOs)、高氮氧化物(NOx)、二硝基铁配合物和过氧亚硝酸盐(ONOO) 5种.过量的RNS会与脂类、蛋白质和核酸发生反应, 导致细胞损害( Improved short-term drought response of transgenic rice over-expressing maize C4 phosphoenolpyruvate carboxylase via calcium signal cascade 1 2017 ... Ca2+作为细胞功能的第二信使, 参与调节植物各种逆境下的重要生理生化过程.钙信使系统包括Ca2+、钙调蛋白(CaM)和钙泵(Ca2+-ATPase).CaM是Ca2+的感受器, Ca2+-ATPase决定着Ca2+的跨膜运输( Role of salicylic acid in resistance to cadmium stress in plants 4 2016 ... Cd胁迫下, 抗逆相关的植物激素(如ABA、IAA、SA和JA)均会发生显著变化, 且影响抗氧化物质合成相关基因和运输蛋白基因的表达(
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
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MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同 Melatonin confers cadmium tolerance by modulating critical heavy metal chelators and transporters in radish plants 2 2020 ... 植物响应Cd胁迫的蛋白主要与抗氧化、转运和转录调控等相关(
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同 Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants 3 2010 ... CaM是细胞中重要的Ca2+信号感受器, 在胁迫中起钙信号转导作用.它能与细胞质中升高的Ca2+结合成具有活性的Ca2+-CaM, 从而调控其下游许多靶蛋白(如H2O2、SOD、GR、CAT和Ca2+-ATPase)的活性; 同时, CaM也受Ca2+诱导(
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
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MT: 金属硫蛋白; PC: 螯合肽; ROS: 活性氧; RNS: 活性氮.GSH、SOD、CAT、APX、GPX、DHAR、GR、CBS和ATPS同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
AsA: 抗坏血酸; POD: 过氧化物酶; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; NR: 硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶.ABA、IAA、SA、JA、GSH、SOD、CAT和APX同
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