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user: 3. 植物主动适应高锰胁迫 3.1. 抗氧化系统 O 2 是植物生命活动所必需的相对稳定的气体，但当O 2 被部分还原时会产生具有反应活性的活性氧(ROS)，包括O 2− 、H 2 O 2 和O 3 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O 2− 发生歧化反应生成H 2 O 2 和O 2 ，随后由POD和CAT可以催化H 2 O 2 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O 2− ，但是当重金属浓度太高时，植物体中的O 2− 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H 2 O 2 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( ⋅ 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H 2 O 2 [ 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Fe 2+ ，Mn 2+ ，Zn 2+ 和Cd 2+ 。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，Fe 2+ 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Cd 2+ 、Zn 2+ 和Mn 2+ ，有研究表明IRT1是植物Mn 2+ 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Fe 2+ ，也能够螯合Mn 2+ ，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Ca 2+ -ATPase亚家族超家族，充当Mn 2+ 泵去除多余的锰 [ 60 ]。