植物逆境生理第7章鋁毒害及植物的耐鋁機制

植物逆境生理第7章鋁毒害及植物的耐鋁機制第七章鋁毒害及植物的耐鋁機制第一節(jié)鋁對植物的毒害作用第二節(jié)植物的抗鋁機制第三節(jié)緩解鋁毒害的措施及研究展望第七章鋁毒害及植物的耐鋁機制第一節(jié)鋁對植物的毒害作用第一節(jié)鋁對植物的毒害作用一、鋁毒害癥狀二、鋁的吸收、轉運和信號傳遞三、鋁毒害機理的研究進展第一節(jié)鋁對植物的毒害作用

鋁是自然界含量最多的金屬元素，占地殼總重量的7.45%。同時，鋁是高價、半徑小的元素，易水解形成難溶解的氫氧化鋁，并進行相互轉化，在土壤溶液中非?；钴S，尤其是在酸性條件下形成大量的Al3+

、Al(OH)+和Al(OH)2+等，從而對植物產生毒害作用，在土壤PH5.0或更低時，毒害作用更強。由于連續(xù)施用含氨和氨化物的肥料、工業(yè)污染和豆科植物的固氮作用等都加劇了鋁毒害，導致酸性土壤面積擴大，發(fā)生面積占世界耕地的40%～70%。在我國酸性土壤分布遍及15個省區(qū)，總面積達2030萬hm2，約占全國土地總面積的21%，而這些耕地又大部分分布在長江以南水分、陽光充足地區(qū)。在酸性土壤中，鋁的交換量占土壤陽離子交換總量的20%～80%，導致土壤中陽離子易于淋失，使鉀鈣、鎂、鉬、硼等營養(yǎng)元素缺乏，農作物生長障礙直接與鋁有關，鋁毒害是農業(yè)生產中最主要的礦質元素毒害之一，已成為酸性土壤作物產量提高的限制因子。另外酸雨提高了森林中鋁的溶解度，鋁也被認為是森林大面積退化的主要原因。一、鋁毒害癥狀早在本世紀初，人們就已認識到鋁對植物的毒害作用，但區(qū)別于其它毒害的鋁毒害特征和鋁毒害的最初傷害癥狀問題一直沒有得到解決。目前比較一致的結論是鋁對植物主要毒害癥狀為抑制根伸長生長和引起根尖結構的破壞，這也是常用來測定鋁毒害程度的指標。鋁毒害有短期反應（鋁處理幾分鐘，甚至幾秒即可發(fā)生）和長期反應（鋁處理幾個小時，幾天至更長時間）。短期反應對植物體沒有明顯的影響，但已表現(xiàn)出根毛伸長受抑制，長期反應則表現(xiàn)出根伸長嚴重受抑制和根尖結構破壞，根粗短，褐色，根冠脫落，分枝減少，根系大小降低，根毛區(qū)萎縮，以至根壞死。地上部分生長降低。新葉變小、卷曲，葉柄萎縮，葉緣褪綠，葉尖死亡，葉片脫落。樹木樹冠變小，生長速率下降，邊材數(shù)量減少。與缺磷、缺鈣和缺鐵癥狀類似。鋁對根尖細胞的毒害作用表現(xiàn)在：根冠細胞淀粉粒數(shù)目減少，高爾基體崩解，腫脹脫落，證實鋁首先影響這些細胞的功能。受鋁毒影響，表皮、皮層和內皮層細胞迅速自溶，然后腫脹解體，初生根和側根分生組織也解體。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)鋁誘導根表面產生各種形態(tài)變化，大麥根冠和伸長區(qū)表皮細胞膨脹度下降，燕麥和水稻在伸長區(qū)產生大量凹陷，碗豆主要在伸長區(qū)產生交叉深裂縫。耐鋁性不同的植物在鋁脅迫后受傷害程度不同。耐鋁燕麥細胞損傷只發(fā)生在表皮;而敏感玉米植株發(fā)生在表皮和外皮層，鋁處理后，根原生質體數(shù)目下降，原生質膜不正常，皺縮或變厚，對鋁高度敏感的大麥植株發(fā)生在表皮和幾乎所有皮層細胞。然而，也有一些植物積累大量的鋁卻沒有毒害作用，其中茶樹與紫陽花是眾所周知的。茶樹葉中鋁含量可高達30000mg/kgDW，紫陽花葉中可達3000mg/kgDW，一些生長在熱帶雨林的樹木(如Richoriagrandi)也積累大量的鋁（超過1000mg/kgDW）。最近，發(fā)現(xiàn)幾種適于在低pH生長的植物(如Melastomamalabathricum,Vacciniummacrocarpon)都在根或葉中積累大量的鋁。加強對這些植物忍受大量鋁原因的研究，有助于鋁毒害機理問題的解決。

另外，也有鋁有利植物生長的報道。早有報導，鋁能刺激玉米對鎂吸收和幼苗生長，有利土豆營養(yǎng)生長，促進其對鎂、鉀吸收。茶樹根培養(yǎng)中，培養(yǎng)基中添加鋁和磷刺激主根和側根的生長，而鋁和磷單獨添加時無影響，培養(yǎng)基pH下降后，添加鋁能刺激根生長，終止鋁加入，則生長停止。二、鋁的吸收、轉運和信號傳遞(一)鋁離子種類鋁是高價、半徑小的元素，在水中很活躍，以多種離子狀態(tài)存在，如Al3+、Al(OH)2+

、Al(OH)2+、Al13(AlO4Al12(OH)24(H2O)123+)等。鋁離子存在狀態(tài)與溶液PH密切相關。溶液PH<5.0時，鋁離子以Al(OH)63+形式存在，習慣上把這種形式稱為Al3+。PH增加，脫質子形成Al(OH)2+、Al(OH)2+等。中性PH時，則形成相對難溶的Al(OH)3。PH進一步升高，形成Al(OH)4-。當鋁活度較高，溶液局部偏中性，還形成各種多聚體形式，其中最重要的是Al13。由此，提出一個判斷標準，[Al3+]/[H+]

108.8時，主要以單體離子狀態(tài)存在，比值大于108.8時，則Al13或沉淀態(tài)鋁大量形成。而且，鋁離子還易與大分子化合物如蛋白質、磷脂、DNA等形成復雜化合物。對產生毒害作用的鋁離子種類還沒有一致的認識。由于PH<5.0的酸性條件下，鋁毒害明顯，因而，Al3+可能是主要的毒害離子種類。許多研究表明單子葉植物對Al3+更敏感，但雙子葉植物有所不同，Al(OH)2+或Al(OH)2+對其毒性更大，為主要毒害種類。但有人認為具有高正電荷的氫氧化鋁多核復合物Al13比單價低電荷種類毒性更強，而用NMR技術測定表明，其主要存在于酸性森林土壤中。另外一些鋁離子已被證明是沒有毒害作用的，如鋁酸鹽、氫氧化鋁、鋁與硫酸鹽、磷、有機酸和氟化物等的結合物。（二）鋁的吸收許多證據表明根尖粘液在鋁吸收中起重要作用：1)玉米的吸收起始部位在根尖表皮細胞，這些細胞有顯著分泌能力；2)根粘液聚集在質膜外側，和鋁有強親和力，鋁非常專一地結合到粘膠質上，部分通過交換吸附在多聚糖醛負電荷上。有20%～35%的非交換性鋁結合在粘液上；3)有證據表明鋁抑制根尖粘液合成。小麥根對鋁的吸收存在雙相現(xiàn)象(biophasicuptake)，即起始的短暫快速階段和隨后的慢線性階段。前30分鐘屬于迅速吸收時期，緊接是180分鐘的線性時期，在吸收末期，鋁敏感小麥根中鋁濃度比耐性小麥高，但差異較小?？焖匐A段吸收的是積累在質外體的可交換鋁，在檸檬酸溶液中浸泡30min后，可被洗脫出來。對于慢線性階段的鋁吸收，Petterson等(1989)認為是鋁進入共質體，Zhang等(1989)則認為鋁在質外體的代謝依賴性結合，并非進入共質體。此外，還發(fā)現(xiàn)鋁吸收有時間和溫度依賴性，以及依賴于細胞生長。（三）鋁的轉運鋁被吸收后，主要在細胞壁與果膠質結合，而大量積累于質外體，但能否跨質膜進入細胞質是令人感興趣而又沒有得到解決的問題。大量分析技術的發(fā)展如XPS(x-rayphotoelectronspectroscopy)、EDXMA(energy-dispersivex-rayanalysis)、PIXE(patticle-inducedx-rayemission)、SIMS(secondaryionmassspectrometry)、LAMMA(lasemicroprobemassanalysis)、GFAAS(graphite-flurnaceatomicabsorptionspectr-oscopy)、27AlNMR、ColorimetricandFluorimetricTechniques等，為鋁在植物器官或細胞的定量和定位提供了有用手段。利用這些技術，獲得了較多鋁能進入細胞質內的證據，并提出了幾種鋁通過質膜進入胞內的假說，如結合在質膜上的Al3+或不帶電荷的鋁復合物內吞作用、離子通道和載體。由于Al3+半徑與Mg2+、Fe2+非常接近，因此，Al3+可通過吸收的Mg2+陽離子通道緩慢滲透，跨過細胞膜。此外，至少在單子葉植物中，Al3+可利用植物含鐵細胞轉移系統(tǒng)(Fe3+-phytosiderophoretransportsystem)進入細胞質。例如一些細菌含鐵細胞能有效地螯合Al3+。另一個進入細胞質可能機理為內吞作用，吸收后緊密結合到質膜外空間，如此大大增加了通過內吞作用的吸收速率。Al-檸檬酸鹽復合物可能是另一重要跨膜運輸?shù)匿X種類。在酸性PH中，中性的Al-檸檬酸鹽復合物占多數(shù)，這些中性化合物可通過質膜脂雙層，然而，目前還沒有檢測到這種化合物的跨膜運輸。這些結果為認識抗鋁的內在機制打下了良好基礎。然而，也有人指出，在測量處理前簡單的水沖洗或擰檬酸、蘋果酸等浸泡，只有不到95%的細胞壁結合鋁被洗脫出來。同時，根據已有文獻，鋁進入細胞質流量在5～3000nmol·g-1FW·h-1，這幾乎與單價陽離子的跨膜流量相似，而通常認為隨離子電荷增加，跨膜流量會下降，與細胞壁負電荷結合增加。因此，鋁跨質膜流動可能是鋁測量之前沒有。完全洗脫細胞壁鋁所造成的贗象，并非鋁真正進入了細胞質。用較精確的測定胞質鋁含量技術SIMS(secondaryionmassspectrometry)測定鋁處理藻類Characorallina細胞的鋁含量，發(fā)現(xiàn)99.99%的鋁積累在細胞壁，即使完整細胞積累的鋁95%被洗脫，在細胞壁中的鋁仍比胞質高20倍以上作為半徑小、高價、活躍的Al3+，進入細胞是完全可能的，尤其在較高鋁濃度和較長時間處理時。由于半徑相似，Al3+可利用Ca2+通道等陽離子通道，而且，根尖細胞代謝活動旺盛，內吞作用發(fā)生頻繁率高等都增加了Al3+進入胞內的可能性。特別許多超量積累鋁的植物，如茶樹等，在如此高的鋁濃度下，Al3+沒有進入胞內，可能性較小。因此，鋁被吸收進入細胞質內是存在，問題在于進一步找到無可爭議的證據。根表皮吸收的鋁除了轉運進入共質體外，還向根中柱、莖和葉運輸，如前所述，一些植物葉存在高濃度的鋁，但這些鋁轉運的形式和機理還不清楚。（四）鋁的分布在器官水平上，鋁被吸收后，大部分積累在根，部分運輸?shù)降厣?，也有的植物將大量的鋁運輸?shù)降厣?。組織水平上，鋁的分布為表皮細胞

皮層細胞

中柱薄壁細胞，主要積累在細胞壁中，但也進入表皮細胞和皮層細胞的細胞質中。鋁在細胞中的分布主要是在細胞壁與果膠質結合，一部分通過內吞作用、載體或離子通道進入細胞質，細胞膜被破壞后，進入胞內鋁就更多。進入胞內的鋁大部分分布在細胞質(48%～64%)，其余在細胞核(21%～40%)、線粒體(10%～16%)中。由于細胞質近中性(PH6.0～7.5)，所以細胞質中的鋁大部分與高分子量化合物（如蛋白質）形成復合物。（五）鋁毒害信號及其傳遞許多證據表明冷和鹽脅迫條件下，首先影響胞內Ca2+濃度，Ca2+作為起始生理轉導物引起進一步反應。Huang等(1992)利用振蕩Ca2+選擇微電極研究表明在鋁敏感小麥Scout66中，鋁顯著抑制Ca2+刺激內流，而對耐性品種Altas66的Ca2+運輸影響很小。為克服根表面的Ca2+濃度梯度對測量的影響，Huang等繼續(xù)用比非振蕩系統(tǒng)靈敏50倍的Ca2+選擇振蕩微電極對鋁影響下Ca2+吸收進行測量。在沒有外加鋁時，二品種根尖的Ca2+吸收動力學非常相似。對Scout66進行鋁處理(5～20

mol/L)，鋁毒害程度與鋁誘導根尖Ca2+吸收抑制存在強烈相關性，對其Al-Ca相互影響的動力學分析，通常是Ca2+吸收被完全抑制，而鋁對Altas66吸收動力學則影響很小。結果說明鋁對根尖Ca2+轉運的破壞在敏感品種鋁毒害中起重要作用，不同鋁耐性可能與酸性溶液中根尖細胞Ca2+轉運系統(tǒng)對鋁毒害抵抗能力有關。用形態(tài)完整的根細胞壁進行同樣研究，結果是鋁的影響并不包括Al-Ca在細胞壁的相互作用，推測鋁影響可能通過阻塞Ca2+通道來抑制Ca2+內流。Rengel(1992)指出Al3+不用進入細胞質而引發(fā)大量初始的毒害效應，可能主要是通過改變Ca2+穿越原生質膜內流來破壞Ca2+平衡，從而影響細胞分裂，Al3+對Ca2+內流影響主要通過阻塞Ca2+通道來達到的，并總結認為，細胞內Ca2+平衡被破壞是鋁毒害綜合癥的起始觸發(fā)器。

Bennet等（1991）在鋁對玉米根生長的研究中也認為，鋁的效應在于刺激/反應的耦合(stimulus-responsecoupling)引發(fā)，而不是鋁的直接效應，因為移去Ca2+可引起鋁毒害的同樣效果。由此可見，鋁毒害是間接的，而其毒害效應是通過影響Ca2+濃度產生或傳遞所導致的。三、鋁毒害機理的研究進展（一）鋁影響其它元素的吸收、轉運和利用鋁可與果膠質結合，竟爭K、Ca、Mg、Cu等在根細胞膜上的吸附位點，抑制水分和離子的吸收和轉運，干擾Fe3+

Fe2+轉變，誘導缺鐵癥，還可在根表或質外體與磷發(fā)生沉淀，使磷吸收受阻。1．鋁與氮生長在有或無鋁的混合態(tài)營養(yǎng)液時，品種耐鋁性與植物誘導PH下降速率呈負相關，而PH下降速率與品種消耗溶液中銨態(tài)N速率正相關。把與不同N吸收和溶液pH相聯(lián)系的品種耐鋁性分別稱作“差異N吸收(differentialNuptake)”或“N優(yōu)先(Npreference)”。在長效研究中，Taylior等(1988)還認為小麥品種鋁性不僅與PH下降的起始速率有關，也與最后溶液PH有關。但后來研究表明PH變化不是鋁耐性差異的原因，提出耐鋁性與溶液的PH非依賴性假說。該假說認為鋁脅迫條件下，對硝態(tài)鹽和銨鹽吸收均下降，但敏感品種下降更歷害；在沒有鋁存在時，耐性品種對硝態(tài)N，敏感品種對銨態(tài)N吸收較多。當溶液中加入銨態(tài)N，PH下降，銨態(tài)N用盡后，PH上升，植株生長在有鋁溶液比無鋁溶液中pH低，揭示了溶液pH變化的原因。高濃度鋁還影響根瘤菌的固氮作用，豆科作物的結瘤數(shù)、固氮酶活性受到抑制。干擾根對N素吸收，對NO3-的影響較NH4+嚴重，NH4+吸收下降可能為Al3+與NH4+在質外體竟爭結合位點。還可能抑制硝酸還原酶(NR)活性及合成、N的還原和同化。Keltjiens(1988)注意到鋁處理24小時后，高粱硝酸鹽吸收和運輸下降，鹽中NR活性較低。Cambraia等發(fā)現(xiàn)鋁處理后，敏感高粱品種的硝態(tài)N吸收下降比耐性品種更劇烈，鋁對NR為非竟爭性抑制，不能通過增加NO3+濃度來緩解。然而，也有鋁高粱對NH4+吸收的刺激效應，并認為是敏感品種中質子外流增加的所致。2．鋁與磷高濃度的磷常導致明顯缺磷癥。對分離的外生菌根鋁處理，真菌磷吸收強烈下降。鋁處理降低水稻植株對磷的吸收，在小麥中也得到相似結果，且在敏感品種中磷含量下降更明顯。但通常認為鋁增加根中磷濃度而降低地上部分磷濃度。這些磷吸收反應不受呼吸抑制劑DNP和溫度影響，從而認為是發(fā)生在根表或質外體的吸附--沉淀反應的結果，減少了根進入共質體及向地上運輸。鋁對磷代謝也有明顯影響。玉米根鋁處理后幾種核苷酸(ATP、UDPG)的濃度和呼吸速率降低，在鋁處理20小時后更明顯。原因可能是鋁通過抑制己糖酸激酶來抑制己糖磷酸化，抑制ATP產生或直接形成Al-ATP的結果。3．鋁與鈣土壤溶液中鈣濃度較高，平均約為1.5mmol/L，植物體通常能吸收和貯藏大量的鈣，但大部分鈣結合在細胞壁（約60%）或被螯合在各種細胞器中，因此，[Ca2+]cyt很低(10-7-10-6mmol/L)，而低[Ca2+]cyt則有質膜和內膜系統(tǒng)上的Ca2+轉運系統(tǒng)來維持,Ca2+轉運系統(tǒng)主要有Ca2+轉運系統(tǒng)泵、nH+/Ca2+轉運系統(tǒng)逆向轉運體和Ca2+轉運系統(tǒng)通道等三條（圖7-1），影響這些Ca2+轉運系統(tǒng)的因素都對[Ca2+]cyt造成較大影響。鋁處理降低Ca2+吸收，從而削弱根尖Ca2+梯度在很多植物中都已得到證實，如水稻、咖啡、大麥、馬鈴薯、玉米、Manihotesculenta

、Vignaunguiculata、Lupinus、Vicia、Hordeum、Secale、Acer、Gleditsia等。鋁處理條件下，植物Ca2+吸收和轉運受影響程度不同而表現(xiàn)出對鋁抗性的差異，在低Ca2+或完全營養(yǎng)液中敏感小麥品種Ca2+吸收和轉運顯著下降，而耐性品種受影響較小，只是在高濃度鋁處理時，根的Ca2+吸收才受抑。動力學研究表明，鋁竟爭性地抑制根吸收鈣，增加培養(yǎng)液中的Ca2+濃度，可以保衛(wèi)根分生組織和根生長，促進根再生，降低鋁毒害，但敏感品種要求Ca2+濃度比耐性品種高。

圖7-1細胞內Ca2+的轉運也有例外的報導。Lindberg等(1993)發(fā)現(xiàn)，80

mol/LAl處理耐鋁和鋁敏感的小麥根原生質體，存在一瞬時短暫(2min)的[Ca2+]cyt上升。然而，相對而言，這種變化較?。◤?60nmol/L到225nmol/L），時間很短，而且，只在60%分離原生質體中發(fā)生，難以肯定這種升高與鋁毒害的關系。鋁抑制Ca2+吸收的機理曾有多種猜測，認為影響了根表或自由空間的電荷狀況，抑制Ca2+吸附到道南自由空間負電荷上的過程?；蛘哂绊戀|膜，使Ca2+的被動和主動吸收受阻，也有認為可能是降低了呼吸作用而降低陽離子吸收?，F(xiàn)在較多認為鋁作為Ca2+通道阻塞劑起作用。然而，Huang等（1993）發(fā)現(xiàn)Al3+能有效地阻塞質膜Ca2+通道，但鋁敏感和耐性品種之間無差異。

在此前Sasaki(1994)用Ca2+通道拮抗劑bepridil得出了同樣的結論。Al3+除了阻塞Ca2+通道外，還會影響質膜、液泡膜Ca2+-ATP酶和H+/Ca2+逆向轉運體等Ca2+轉運途徑，共同導致[Ca2+]cyt持續(xù)下降，影響細胞質Ca2+穩(wěn)態(tài)，產生毒害作用。鋁與鈣的相互作用，Ulrich等(1989)提出了土壤中Ca/Al摩爾比是衡量鋁對植物危害的指標，當Ca/Al比小于1時，鋁損害植物的根毛，影響水分和營養(yǎng)吸收，進而引起植物枯萎和死亡。4．鋁與鉀在茶葉、玉米等植物中都發(fā)現(xiàn)鋁與鉀竟爭根吸收位點，抑制鉀吸收并且降低根和地上部分鉀含量。鋁還通過抑制蠶豆保衛(wèi)細胞K+in通道，阻塞玉米根毛質膜K+通道等來抑制K+吸收和轉運。然而，在Gleditsia中鋁對鉀的含量沒有影響，在Acer中低濃度鋁會增加K+吸收。也有報導在玉米、Coeffeaarabica、Trijoliumrepens中鋁處理導致鉀吸收上升。高濃度鋁強烈抑制一些真菌對鉀的吸收，對另外一些真菌則不然。Nichol等發(fā)現(xiàn)短時（10min）和長時間（5d）處理均抑制K+吸收，但其均是可逆恢復的。這些結果表明鋁對鉀的影響還沒有一致認識，可能與物種和實驗條件不同有關。5．鋁和其它元素鋁處理降低大麥除莖外其它部分的錳濃度。水稻中隨鋁增加，錳濃度在植株頂端是下降的，而在根中增加，推測錳可有效地與鋁競爭根吸收位點。玉米、高粱的錳吸收在鋁脅迫條件下也下降。

水稻、馬鈴薯、玉米、Coeffeaarabica、Maniholesculenta、Lupinus、Secale、Vicia、和Hordeum等植物隨鋁濃度升高(1～10ppm)，根和莖端Mg吸收和濃度均下降，低濃度鋁可提高Acer、Gleditsia中鎂含量，但高濃度時則相反。1mmol/L鋁處理對鎂吸收和轉運的抑制比對鈣更為明顯。水稻、馬鈴薯在增加鋁濃度(至10ppm)時，根中開始積累鐵，玉米葉和根鐵水平則下降。橡樹中鋁干擾Fe3+

Fe2+的還原，而這是正常鐵代謝必需的。高粱、水稻中缺鐵黃化是常見的鋁毒癥狀，大麥、燕麥、小麥中也發(fā)現(xiàn)同樣的結果，其原因是鋁處理抑制DMA(2′-deoxymugineicacid)的合成和分泌，阻礙鐵吸收。鋁也和銅競爭根表面的結合位點，鋁傷害引起馬鈴薯根中銅積累，而高粱中則根和莖端的銅含量均下降。（二）抑制細胞有絲分裂和根伸長生長鋁毒害抑制根伸長是由于細胞分裂和伸長受抑制的結果。對鋁抑制細胞分裂，最初認為是鋁與DNA磷酸基團結合，增加雙螺旋剛性，降低模板活性，DNA解鏈復制困難所致。但后來發(fā)現(xiàn)鋁處理細胞有絲分裂數(shù)目下降，在4、5、6h后顯著下降。Sson等發(fā)現(xiàn)Hordeumvulgare在鋁處理48h內DNA都一直發(fā)生復制，細胞分裂數(shù)目卻在處理24h后降為0。Wallace等也指出鋁誘導根伸長抑制先于DNA復制至少2h，認為干擾DNA復制不是鋁的初始效應?，F(xiàn)在多數(shù)報導認為鋁處理毒害作用主要在于破壞了Ca2+平衡，降低胞內Ca2+濃度，而在前期胞質Ca2+活動增加，引起微管解聚對分裂中后期染色單體分離和移動是必要的。區(qū)域化Ca2+梯度對引發(fā)中期/后期的轉變也是必要的。同時，胞內Ca2+濃度下降也間接降低了鈣調素調節(jié)有絲分裂的功能，從而細胞分裂活動受到抑制。最近，發(fā)現(xiàn)細胞骨架依賴于鈣調節(jié)。令人感興趣的是還有報導鋁直接影響細胞骨架，導致微管和纖絲剛性增加。當然，也不能排除鋁引起的細胞繁殖和分化的其它調節(jié)物質的變化，如多胺及其合成酶類活性的變化。

細胞伸長機理有很多假設，如表皮細胞厚壁和微纖絲的取向、細胞壁成分（如果膠、半纖維素、蛋白質）、壁基質酶解物分離等都與細胞伸長密切相關。Sasaki等(1996)最近報道小麥耐鋁性與細胞壁木質素(lignin)沉積有關，5

mol/LAlCl3處理敏感品種有明顯的木質素沉積，而對照根和耐鋁品種沒有木質素沉積，20

mol/LAlCl3處理兩品種均有明顯的木質素沉積。這結果表明在伸長區(qū)的木質化作用與鋁引起根生長抑制程度是一致的。鋁抑制細胞伸長還與對細胞壁蛋白影響有關。Cosgrove等(1996)報導生長期下胚軸細胞壁存在兩種伸展蛋白，伸展蛋白活性與細胞伸長正相關，而鋁抑制這些蛋白活性。（三）破壞細胞膜結構和功能1．影響膜傳遞蛋白，干擾細胞調節(jié)過程在植物細胞質膜和內膜上存在多種類型的傳遞蛋白，這些傳遞蛋白不僅與物質的跨膜傳遞有關，而且還直接參與對外部環(huán)境的識別，并作出相應反應和調節(jié)的過程。一般認為植物質膜傳遞蛋白主要有ATP酶、氧化還原蛋白、通道蛋白、轉運體蛋白和信息傳遞相關蛋白。早在八十年代，就已經認識到冷、水分和鹽脅迫等逆境影響這些傳遞蛋白的結構和功能，而直到近年來，鋁的影響才有所報導，但認識仍是粗淺的。鋁處理抑制或激活H+-ATP酶活性均有報導。0.1～0.3mmol/L的AlCl3處理5周（PH4.2），云杉質膜H+-ATP酶和葡聚糖合成酶II活性下降，后者比前者更為明顯。玉米根質膜微囊質子泵和ATP酶活性為氟化鋰和氟化鋁等化合物所抑制。

Wu等(1994)報導，無鈣培養(yǎng)時，0.5或1mmol/L鋁處理相應增加ATP酶活性11%和19%；0.5mmol/L鋁加低鈣(100mmol/L)比加高鈣(500～1000mmol/L)時ATP酶活性高42%，在Ca/Al比為1.5:11時，ATP酶活性大到最大。鋁對小麥質膜質子外流的影響也存在矛盾的結果。Kinraide(1988)報導與對照相比，盡管鋁脅迫下根伸長區(qū)的表皮和外皮層已嚴重腫脹，但質子外流和膜電勢都沒有變化。Miyasaka等(1989)則觀察到在鋁敏感品種中質子外流受到抑制，但對耐鋁品種沒有影響。由此看來，這一問題遠還沒有得到解決，有待澄清。

在質膜上還存在Ca2+-ATP酶(Ca2+泵)。對于其功能，一度被認為和H+-ATP酶類似，在于推動質子跨膜運輸，但現(xiàn)在已普遍認為與Ca2+轉運相關，其通過利用ATP釋放的能量，把細胞內的Ca2+主動運輸?shù)桨?，以維持[Ca2+]cyt平衡。雖然已有很多報導證實Al3+能夠阻塞質膜Ca2+通道，但很少有鋁對質膜Ca2+-ATP酶活性及Ca2+轉運影響的報導。只有Kylin等(1986)報導與對照或加0.22mmol/L的AlCl3處理相比，從0.11mmol/L的AlCl3處理的耐鋁小麥品種(Kadett)分離到的質膜活性增加3.5倍，而敏感品種(WW20299)則沒有這種刺激作用。鋁傷害主要在根尖，但較早的實驗通常采用全根提取質膜微囊，會顯著沖淡鋁的影響，這樣的結果難以反映真實情況，有必要深入探討，同時還必須與其它的Ca2+轉運途徑的影響結合起來，才能更好闡明鋁對Ca2+轉運系統(tǒng)及Ca2+含量影響的真正原因。由于膜片鉗技術的發(fā)展，已相繼發(fā)現(xiàn)在植物質膜及內膜上存在許多種類離子通道，如Ca2+通道、K+通道、Cl-通道、NO3-通道、有機酸離子通道（如蘋果酸）等。除了阻塞Ca2+通道有較多報導外，Al3+還抑制蠶豆保衛(wèi)細胞質膜內向整流通道，阻塞玉米根毛質膜通道，抑制Neuosporacrassa線粒體外膜電壓依賴性陰離子選擇通道。然而，Al3+對其它種類離子通道的影響還沒有報導，而且在小麥鋁毒害研究中表明，Al3+對耐鋁性品種和鋁敏感品種根細胞質膜的阻塞效應并沒有多大差異，所以，Al3+抑制K+通道和Ca2+通道與植物抗鋁性差異的關系還待進一步認識。

由于鋁離子能夠進入細胞質，從而可能對液泡膜等內膜系統(tǒng)造成影響。Matsumoto(1991)和Kasai等(1993)發(fā)現(xiàn)鋁處理增加微粒體膜和液泡膜依賴于ATP和PPi的質子泵活性。最近，有報導在鋁處理后，耐鋁品種小麥液泡膜H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性迅速下降，而鋁敏感品種在較低鋁濃度處理時，有一個升高過程，在較高鋁濃度處理時，才下降，兩品種表現(xiàn)出較大不同，因此，液泡膜可能與植物的耐鋁性差異有關。對線粒體而言，鋁降低小麥線粒體H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶和焦磷酸酶活性。2．改變膜的流動性和滲透性脂類特別是磷脂對于膜結合ATP酶的正常功能和調節(jié)，跨膜電化學勢梯度形成和維持是必要的。逆境脅迫改變膜脂組成，影響膜流動性和滲透性，這在其它逆境如鹽、水分、冷等條件下已得到證實。對鋁影響植物細胞膜脂也進行了初步研究，Jone等(1998)認為質膜磷脂或其它脂類是鋁毒害的最初部位。Lindberg等(1991)報導鋁增加甜菜根系質膜的磷脂酰膽堿（卵磷脂）/磷脂酰乙醇胺(PC/PE)的比率，提高質膜磷脂雙分子層結構的穩(wěn)定性。但他們實驗所采用pH過高（5.3，5.4和6.1），這樣會產生處理溶液中鋁溶解性和離子種類問題。針對這些問題，Zhang等(1996)以小麥為材料，在pH4.2時進行鋁處理，用根尖提取膜微囊作了較深入的研究，指出：10至50

mol/L的AlCl3處理1d，對耐性和敏感的小麥品種的膜脂組成沒有影響，而用50

mol/L的AlCl3并處理延長至3d，磷脂下降，單半乳糖二酰甘油、自由固醇、自由脂肪酸和三酰甘油增加。還存在遺傳型變化差異。雙半乳糖二酰甘油含量在敏感品種中增加66.7%，耐性品種中則輕微下降。因此MGDG/DGDG比率在耐性品種增加46.2%，而敏感品種則下降21.3%，另外也發(fā)現(xiàn)鋁處理后，敏感品種中Sterylgucoside增加70.2%，acylatedsterylglucoside增加22.3%，耐性品種中，?；痵terylglu-coside下降18.9%，而sterylglucoside無變化。何龍飛等發(fā)現(xiàn)鋁處理后小麥質膜磷脂含量下降，在敏感品種中更明顯，磷脂含量下降必然會改變脂質環(huán)境，減弱磷脂與ATP酶的聯(lián)系，導致ATP酶活性降低，誘導六角形結構（HII）形成，增加質膜通透性和鋁進入胞內。提出磷脂/糖脂比值變化與植物耐鋁性關系密切的論斷，敏感小麥品種需要較高質膜磷脂/糖脂比值來維持細胞正常功能，而耐性品種則較低；鋁脅迫后，敏感品種磷脂/糖脂比迅速下降，受害嚴重，耐性品種則下降較緩，受毒相對較輕。除了膜脂組成外，鋁對與膜脂密切相關的膜生理特性也有較大影響。Ishikawa等(1998)報導鋁處理后，鋁敏感植物質膜剛性增加，伸展性下降，透性增加，而耐鋁植物質膜透性變化較小。Viestra等(1978)用電子順磁共振波譜技術研究，發(fā)現(xiàn)Al3+降低分離和完整的Thermoplasmaacidophilum細胞膜流動性。Zel等(1993)報導鋁降低鋁敏感真菌Amanitamuscaria的膜流動性，增加耐鋁真菌Lactariuspiperatus的膜流性。何龍飛等(1999)以耐鋁和鋁敏感小麥品種為材料，測定質膜膜脂不飽和指數(shù)變化，得到類似結果。

鋁處理后，這些膜生理特性的變化與Al3+對膜脂作用有關。水合Al3+，如[Al(H2O)6]3+，與磷脂負電荷結合，形成堆疊區(qū)。同時，根據Eigen原理，7到8個水合磷酸鹽的水分子與6個水合Al3+的水分子通過脫水作用聯(lián)系在一起。由于脫水作用，液晶態(tài)的膜剛性增加，成膠體狀，堆疊區(qū)疏水性更強，膜蛋白也通過羧基與Al3+結合，成為堆疊區(qū)一部分。堆疊區(qū)（如磷脂和蛋白）與非堆疊區(qū)（如固醇）界面擴大，形成缺口，膜透性增加可能正是脅迫條件下形成這些缺口的結果。（四）破壞體內激素平衡根尖是植物激素合成的重要部位，尤其是細胞分裂素和ABA，而這一部位又是鋁毒害初始位置，因此，較早就有人把二者聯(lián)系起來。Klimshevskii(1983)用玉米、大麥和豌豆的鋁敏感和耐性品種進行鋁處理，敏感品種根中ABA含量比耐性品種相應增加340%、351%和473%。由于通常ABA被認為是Ca2+的激活劑，其刺激質膜上的Ca2+通道，使細胞質中Ca2+活性增加，引發(fā)系列生理反應，所以，很難用ABA含量迅速增加來解釋玉米根在鋁處理反應與鈣缺乏反應之間的相似性質。

Pan等(1989)發(fā)現(xiàn)，在酸性鋁毒土壤中，鋁抑制敏感大豆品種Ransoma地上部分側枝生長，但可通過葉面噴施細胞分裂素或對側生分生組織局部處理而得以恢復。他們認為鋁改變地上部形態(tài)的原因可能是：1）鋁損壞根系分生組織的細胞活性，從而抑制細胞分裂素合成；2）鋁抑制細胞分裂素向地上部分運輸；3）鋁降低地上部分正常發(fā)育所需內源細胞分裂素水平。抑制地上部分生長是鋁的次級效應，這種抑制只是在延長生長介質中Al3+毒害時間，并在抑制了根生長后才表現(xiàn)比較明顯。目前，還沒有關于外加Al3+影響根分生組織合成細胞分裂素并影響其向地上部分運輸?shù)膱髮碜C實Pan等提出的假說。但細胞分裂素促進細胞分裂機理與鈣密切相關，其是通過激活質膜Ca2+通道，增加胞質Ca2+活動來實現(xiàn)的，而Al3+抑制Ca2+跨質膜內流，所以，鋁處理引起的細胞分裂素變化可能只是一種次級反應。Erdei等(1991)用噴施6-BA的方法可以改善黃瓜的鈣缺乏癥也提供了一個旁證。

鋁似乎與IAA存在拮抗，IAA促進細胞伸長，而鋁抑制伸長，IAA作用是否依賴Ca2+尚有爭議，但其運輸卻必需Ca2+，Ca2+促進生長素向基部運輸。玉米初生根中，鋁促進IAA的向頂運輸，抑制其向基運輸，IAA向基運輸發(fā)生在根的外層細胞（表皮或皮層），鋁積累最初也發(fā)生在玉米或其它植物的皮層或表皮細胞，說明二者之間存在一定的聯(lián)系。綜上所述，鋁處理后，可能通過兩條途徑產生毒害作用：一是鋁的直接毒害作用。鋁能進入細胞質內，積累在細胞壁或進入細胞質內的鋁抑制質膜上的質子泵和鈣泵活性，降低質膜磷脂含量和膜脂流動性，改變膜脂環(huán)境，影響質膜的正常生理功能。同時，進入細胞內的鋁對液泡膜的質子泵和鈣泵活性也產生抑制作用，亦降低其磷脂含量，流動性下降，消弱膜脂和膜蛋白的相互聯(lián)系，影響液泡的正常生理功能；還抑制線粒體的呼吸作用及線粒體膜系統(tǒng)，能量供給下降，進一步削弱質膜和液泡膜抵御逆境的能力，質膜和液泡膜進一步受損，對細胞造成不可逆性損傷。二是鋁的間接傷害作用。鋁處理后，Al3+與Ca2+和磷等競爭細胞壁結合位點，阻塞離子通道，造成胞質內Ca2+營養(yǎng)元素缺乏等，抑制Ca2+調節(jié)的一系列生理生化過程和Ca2+的第二信使作用，進一步引起磷脂降解，改變膜脂環(huán)境及其與膜蛋白的相互聯(lián)系，對細胞造成損傷。第七章鋁毒害及植物的耐鋁機制第一節(jié)鋁對植物的毒害作用第二節(jié)植物的抗鋁機制第二節(jié)植物的抗鋁機制一、外部機制二、內在機制三、植物耐鋁性的遺傳基礎與分子生物學第二節(jié)植物的抗鋁機制植物抵御鋁毒害的機制包括外部機制和內在機制二種類型。外部機制主要指在質外體層次，內在機制則主要指在共質體層次的抗鋁機制。一、外部機制(一)細胞壁在排斥鋁中的作用（CEC假說）二價陽離子在根質外體中積累是其進入胞內的前提。在質外體中，二價陽離子是與細胞壁的帶負電荷基團結合，如羧基、羥基等，根陽離子交換能力(CEC)即是由細胞壁中這些帶負電荷基團決定的。由于鋁在根皮層質外體中積累是鋁毒害的最初步驟，因此，鋁毒害作用也就可能與CEC相關，從而提出了CEC假說。CEC假說認為品種的耐鋁性與根系的低陽離子交換量（CEC）有關。Blamey等(1990)也報道，耐鋁的牛解花屬(Lotus)品種的CEC較低，而敏感品種CEC較高。解釋認為低CEC的耐性品種需較高鋁活度以沉淀甲基化程度相對較高的果膠質。相反，高CEC的敏感品種沉淀果膠質的鋁活度相對較低，因而根系組織中的鋁濃度高，削弱了果膠的保護作用。這在棉花、黑麥草、大麥、小麥植物上均有報道。低根系CEC對植物耐鋁有三方面的作用：1）低CEC作物種類或品種優(yōu)先積累單價陽離子，故低CEC能選擇排斥多價陽離子；2）低CEC能減少鋁在根系交換位點的結合，而這種結合是根系吸收鋁的第一步；3）低CEC導致植物對陰離子吸收相對低于陽離子的吸收，可降低生長介質的酸化程度，從而減少鋁吸收和進入共質體。然而，也有不同意見。Ishikawa等(1998)比較了水稻、玉米、碗豆和大麥的耐鋁性，他們指出這四種植物根的CEC與鋁耐性之間并沒有相關性。

（二）根冠或質外體pH障礙通過誘導根冠pH上升而產生pH屏障，迅速降低鋁的溶解度是非常吸引人和備受關注的。其證據主要來自鋁處理后，耐性品種比敏感品種能維持較高的介質pH值。然而，越來越多的實驗對此提出異議，認為pH變化主要受成熟根區(qū)而不是根尖的影響。Miyasaka等(1989)發(fā)現(xiàn)在沒有鋁存在或鋁處理前幾個小時，耐性和敏感品種根冠pH并沒有差異。也否定了Foy等(1988)關于NH4+/NO3-吸收比率與耐鋁相關性的猜測。支持Taylor(1988)和Waga-tsuma等(1987)所提出的外部溶液pH的變化是對變化N源的反應而與鋁耐性無關。不過，最近Pellet等(1997)提出了新的證據支持根冠pH變化與鋁耐性有關。在研究耐鋁和鋁敏感品種小麥根冠pH、蘋果酸和無機磷分泌的變化后，他們指出鋁脅迫下，耐鋁品種小麥蘋果酸和無機磷分泌顯著增加，根冠pH不變或稍有上升，而鋁敏感品種無機磷分泌明顯下降，蘋果酸分泌下降或不變，pH迅速下降。因此，他們認為pH變化與磷分泌有關，而并非僅是溶液中氮源變化的結果。無機磷分泌位于根尖，在細胞質內，無機磷以陰離子狀態(tài)存在，被排到酸化細胞壁和根冠后，與質子結合，導致pH上升。分泌的蘋果酸也可能與pH變化有關。Grawer(1993)認為陰離子對鋁生理毒害有改善作用，陰離子作用效果順序為OH->F->SO42->Cl-，側面說明pH上升，OH－增加有利于降低鋁毒害效應。由此看來，要確定根冠pH變化與耐鋁性的關系還需要深入研究。（三）鋁誘導有機酸和磷的釋放

Kitagawa等（1986）年首先提出植物通過根系分泌有機酸降低鋁毒害。Miyasaka等(1991)發(fā)現(xiàn)在耐性和敏感的Snapbean中，鋁處理8天，耐性品種釋放的檸檬酸是鋁存在時的70倍，為敏感品種在有或無鋁存在時的10倍多。Delhaize等發(fā)現(xiàn)鋁誘導小麥的蘋果酸釋放，鋁抗性和根尖的鋁排除有很好的相關性，耐鋁基因型小麥的蘋果算酸分泌量比敏感基因型高5～10倍。他們認為通過釋放蘋果酸螯合Al3+，降低Al3+的活性，保護根尖。該結論還得到以下觀察的支持：1)蘋果酸釋放僅為Al3+誘導，而Al3+、La3+、Se3+、Mn2+或Zn2+不能誘導；2)蘋果酸釋放僅在根尖，鋁毒害部位；3)把蘋果酸添加到鋁毒害溶液中可保護敏感品種根部位免受毒害；4)鋁刺激的蘋果酸釋放高速率與鋁抗性密切相關。Ryan等(1994)接著檢測了36個小麥品種的耐鋁性，也發(fā)現(xiàn)鋁刺激蘋果酸釋放與鋁抗性相關。Huang等(1993)認為分離的根質膜微囊Ca2+運輸系統(tǒng)對鋁的敏感性遺傳差異是由于在抗性品種根尖鋁誘導蘋果酸釋放，而敏感的品種蘋果酸沒有變化。

鋁脅迫誘導下有機酸的分泌模式依植物類型可分為兩大類：模式I：在鋁供應開始后的很短時間（5～30分鐘）內即可觀察到有機酸的明顯分泌，其分泌有機酸為蘋果酸和草酸，如耐鋁小麥（ET3）在20分鐘內分泌蘋果酸，蕎麥在30分鐘內分泌草酸。有機酸在共質體中以有機離子形式存在，此模式的有機酸分泌不涉及基因的激活，而是激活離子通道或質膜上有機酸轉運體活性。Ryan等(1994)的工作表明，Al3+處理會刺激蘋果酸的迅速釋放，但可被一些陰離子通道拮抗劑所抑制。但目前仍然沒有Al3+刺激因子特性的報道，可能是與質外體或共質體鋁的相互作用，或者通過鋁刺激信號傳遞的間接活動。模式II：在鋁開始供應與有機酸分泌之間有一個明顯的延緩期，其分泌的有機酸為檸檬酸，如耐鋁玉米在供應鋁4～12h后才觀察到檸檬酸的分泌，此模式有機酸分泌涉及基因的誘導，這些基因與有機酸代謝（合成和分解）、質膜、液泡膜上ATP酶、焦磷酸酶和離子通道以及線粒體內有機酸轉運活性有關。在玉米中，Pellet等(1995)發(fā)現(xiàn)鋁處理引起耐性品種根尖檸檬酸的釋放，敏感品種則沒有此現(xiàn)象，同時鋁還引起抗性品種根尖無機磷的釋放，釋放無機磷除了與Al3+螯合外，也可與質子結合，增加根尖pH，降低鋁毒害。比較而言，檸檬酸對解除吸附在質外體上的鋁最有效，這與其保護植物細胞免受鋁傷害是一致的。檸檬酸是一個三價螯合劑，通過兩個末端羧基和中央羥基，形成具高度穩(wěn)定常數(shù)(約108)的1:1鋁檸檬酸螯合體。Ostatek-Boczynski等的實驗比較了檸檬酸、草酸、葡糖酸、葡糖醛酸、粘酸、半乳糖醛酸和多聚半乳糖醛（果膠）酸與鋁結合的能力，發(fā)現(xiàn)pH4.2時檸檬酸與鋁結合能力最差，相反在酸性條件下，果膠和相關有機酸配位體與鋁結合能力較弱。果膠和果膠酸鈣與鋁結合的能力也不同，在32

mol/L鋁時，有果膠酸鈣的溶液中自由鋁為29%，而果膠溶液中則為54%。因而可以認為，是果膠酸鈣而不是果膠在降低鋁毒害作用中起更重要的作用。二、內在機制盡管仍有爭議，但許多事實表明鋁處理后，尤其是較高的鋁濃度和較長時間下，鋁必然會進入細胞內，由于鋁與含氧基團化合物具有高親和特性，如Pi、核苷酸、RNA、DNA、蛋白質、羧酸、磷脂、多聚半乳糖醛酸、雜多糖、脂多糖、類黃酮和花色素苷等。因此，即使共質體內自由Al3+的濃度很低也具有潛在的毒害，與Mg2+相比，Al3+與ATP結合能力高107倍，納摩爾的Al3+就可與Mg2+競爭磷結合部位，這些事實都表明耐鋁植物必須具有有效的內在解鋁毒機制。目前，植物抗鋁的內在機制主要有細胞質的螯合作用、液泡膜的區(qū)域化、鋁結合蛋白、耐鋁酶的誘導等，但這方面的工作開展時間不長，有關報導較少。（一）細胞質中的螯合作用細胞溶液中螯合劑對鋁的螯合作用可有效地降低鋁的活度以及對植物的毒害作用。最近，已相繼獲得了一些證據支持。用色譜技術研究表明，在茶樹葉中的大部分鋁與兒茶酚結合，不過目前還沒有分離到這種復合物。在紫陽花葉中，2/3的鋁以可溶形式存在于細胞質中，這些鋁與檸檬酸以1:1的摩爾比構成無毒的檸檬酸鋁鹽。與小麥耐鋁品種Altas66相比，蕎麥具有更高的耐鋁能力，但在其葉片和根中都積累大量的鋁，而且在葉片中90%的鋁以可溶形式存在，濃度高達2mmol/L，其解毒機理在于鋁在細胞液中與草酸以1:3的比例形成無毒化合物，這種化合物非常穩(wěn)定，穩(wěn)定常數(shù)為12.4，高于Al-檸檬酸(8.1)或Al-ATP復合物(10.9)。此外，還從細胞液分離到這一復合物，再用其處理玉米根，沒有表現(xiàn)毒害作用。由此看來，通過細胞質中的螯合作用是有效而迅速的解毒途徑，值得關注。同時，也仍有許多重要問題沒有解決，如Al-螯合劑復合物形成機理，是在胞外形成后運輸進入胞內還是進入胞內再形成，如果為前者，則復合物運輸?shù)耐緩綑C理如何，尤其是從根到葉的長距離運輸；若為后者，則Al3+在運輸過程中為何沒有產生毒害作用？除草酸外，在細胞質內是否還有其它類型的螯合劑，如檸檬酸、蘋果酸，在發(fā)揮作用？有機酸等螯合劑解毒機理可能通過與Al3+結合，而大大降低胞質自由Al3+濃度，阻止Al-ATP復合體的形成，或鋁對ATPase的直接效應，降低鋁與鈣調素的結合，而一旦Al-鈣調素復合物形成，會部分改變鈣調素的天然結構。（二）液泡的區(qū)隔化液泡內區(qū)隔化作用作為其它金屬耐性、鹽耐性的機理已得到證實，但支持鋁區(qū)隔化的證據仍然缺乏。鋁能與多聚磷酸鹽形成復合物分布于擔子菌Laccariabicolor的液泡中。Vitorello等(1996)用Al-morin分析指出鋁大部分定位于靠近細胞膜的細胞質部分。不過，Clarkson指出，分生組織是鋁影響最大的區(qū)域，是很少液泡化的。看來，鋁液泡區(qū)隔化的可能性不大，但仍然不能否定其或其它部分的區(qū)域化的存在。（三）鋁結合蛋白植物在金屬脅迫后誘導產生低分子量的金屬結合蛋白即類金屬硫蛋白（類Mt）和植物螯合肽(Pc)。至今已從番茄、水稻、玉米、煙草、甘蔗、膀胱麥瓶草、菠菜等植物中分離到Cd、Cu結合蛋白，這些蛋白與MT類似，分子量一般很低，富含Cys，幾乎無芳香族氨基酸，通過Cys上的-SH基與重金屬離子結合形成金屬硫酸鹽配位體。植物螯合肽(Phytochelatin)是另一類為重金屬專一性誘導的結合蛋白，其結構為(r-谷氨酸-甲胱氨酸)n-谷氨酸，n=2～11。實驗表明Cd、Pb、Zn、銻、Ag、AsO43-、Cu、錫、SeO2-、Au、鉍、碲、鎢都可誘導植物螯合肽。目前已分離提純Cd-Pc結合體，Cu-Pc結合體，Zn-Pc結合體。Pc與Cd、Zn、Pb的結合比率分別為2:1、2:1、1:1。植物螯合肽的合成及其對金屬離子的絡合作用發(fā)生在細胞質，而后運輸進入液泡內，還提純了Pc合成酶(又稱-r谷氨酰半胱氨酸轉工9肽酶)。目前還沒有鋁結合蛋白的報導。Aniol(1984)報道低濃度鋁預處理后，耐性和敏感的小麥表觀耐鋁性提高，而這種效應在耐性品種中尤為顯著，且受蛋白質合成抑制劑亞胺環(huán)己酮的抑制。提供了存在鋁結合蛋白的可能性。Basu等(1994)發(fā)現(xiàn)鋁脅迫下，有51KD特異蛋白產生，在耐性品種中顯著積累，高于25

mol/L鋁處理時，24h內積累，去脅迫后72h消失。最近，研究表明這一蛋白與液泡膜有關。這一蛋白是否為鋁結合蛋白及其功能有待深入研究。（四）耐鋁酶的誘導植物對逆境的抗性通常與體內特定酶有關，這些酶在逆境條件下誘導產生或者其活性大大增強。目前還沒有耐鋁酶的報導，但鋁處理誘導一些酶產生和活性升高。鋁處理后，抗性高梁品種葉NR比敏感品種高。Marzian等在花生懸浮培養(yǎng)中觀察到鋁處理后NR和GS活性增加，但高濃度鋁處理則下降。NR和GS活性在1000

mol/L和600

mol/L鋁時最大，與對照相比，處理細胞可溶蛋白含量高，不過在不同鋁水平時，并沒有顯著變化。從鋁處理的煙草培養(yǎng)細胞分離到一種過氧化物酶，推測其能保護膜脂，避免過氧化。鋁處理燕麥可誘導葡聚糖酶，但其它金屬，如Co、Ba、Mn、Hg、Ag等也有同樣的作用。植物病原誘導木質素合成關鍵酶PAL（苯丙氨酸氨基羥化酶）的基因轉錄活性增加，而鋁誘導的一基因編碼小麥根蛋白與PAL在氨基酸序列上有高度同源性，木質素沉積與此酶含量是相對應的，表明鋁處理誘導了類PAL的產生，導致木質素沉積，引起防御反應，抑制根的伸長。Geburek等(1986)發(fā)現(xiàn)云杉耐鋁品種和敏感品種在GOT-B位置（谷氨酸草酸乙酸轉氨酶）的等位結構有顯著的差異。從上可知，雖然鋁處理后能誘導一些酶的產生以及一些酶活性升高，但并非僅在鋁脅迫下獨有的，是否有特異耐鋁酶的存在還難以定論。（五）鋁外排耐鋁小麥在代謝受抑制時，根鋁含量增加，在此基礎上，Zhang等(1991)和Lindberg(1990)提出在根細胞質膜存在主動鋁外排假說。他們推測在質膜上可能存在Al3+-ATP酶，利用ATP釋放的能量，把Al3+主動運出胞外。然而，這一假說還沒有得到證據支持，在理論上也難以成立。原因有：1）跨質膜內向Al3+電化學勢梯度太大，水解ATP能量難以有效推動Al3+向胞外轉運；2）在細胞質中Al3+活動在亞納摩爾范圍內，Al3+的轉運蛋白Km約為10-10mmol/L，這是不可能存在的。從上可知，植物抗鋁的內在機制是存在的，植物能夠通過細胞水平表達抗鋁能力。然而，由于存在技術和概念上的兩大障礙，阻礙了我們對內在機制的認識。技術障礙包括鋁化學性質復雜性、鋁毒害信息不完整性（如鋁跨膜運輸程度與產生鋁毒害的關系）、細胞質鋁測定困難、缺乏等位基因差異的種質資源等。概念上障礙表現(xiàn)為如何把鋁毒害原因從結果中區(qū)分開、完全鋁脅迫反應等。因而，今后的關鍵在于如何克服這兩大障礙。

三、植物耐鋁性的遺傳基礎與分子生物學不同作物對鋁的耐受能力有較大差別。蕎麥、水稻的耐性極強，燕麥、大豆、蠶豆等耐性較強，玉米、甘藍、小麥、谷子、豌豆、茄子耐性中等，洋蔥、大麥、甜菜、黃瓜、高粱、蕪菁耐性弱，胡蘿卜、菠菜、旱芹耐性極弱。植物耐鋁性能具有遺傳穩(wěn)定性，受到基因的調控。對兩種類型的耐鋁擬南芥材料的分析表明，耐鋁性是半顯性性狀，F(xiàn)2代大多數(shù)個體的耐鋁性介于兩親本之間，分子標記表明alr-104的耐鋁基因位于4號染色體上，其余4個耐鋁材料的耐鋁基因位于1號染色體。在小麥中，有人認為耐鋁性由單一基因控制，而更多實驗表明是由多個基因控制的，這些基因定位在染色體5As、2D1和4D1上。Aniol和Gustafson（1984）利用小麥-黑麥異附加系的研究表明黑麥的耐鋁主基因位于3R、4R、6R染色體上。Ma等(2000)通過小黑麥（AABBRR）-小麥（AABBDD）異代換系的研究表明3R短臂上的耐鋁基因與有機酸的分泌有關。Aniol（1990）利用“中國春”小麥雙端體系列的研究表明小麥的耐鋁性至少與三條不同的染色體臂（5A染色體的短臂，2D和4D染色體的長臂）有關。對于耐鋁性基因有不同的結果。小麥“Carazinho”的耐鋁性受顯性基因Alt1控制，其可能是編碼蘋果酸通道蛋白，或調節(jié)通道途徑活性的成分。在“Altas66”等品種中，耐鋁性是由兩對或更多的主基因及一些微效基因所控制的。黑麥的耐鋁性至少受兩對獨立的顯性基因(Alt1和Alt3)控制。大麥耐鋁性由一個顯性單基因控制，這個基因被命名為Alp。玉米耐鋁性受到位于單位點的一個復等位基因組控制，Magnavaca(1987)認為加性基因控制其耐性。水稻耐鋁性則受多個基因控制。鋁誘導表達基因的克隆也有初步研究。Ezaki等(1995)從煙草培養(yǎng)細胞克隆到二個cDNA，一個編碼生長素相關基因，另一個編碼谷胱甘肽轉移酶，作為抗氧化劑，有助于阻止鋁誘導膜脂過氧化。從小麥中分離到鋁誘導的18.2KD酸性蛋白TAI-18，該蛋白部分氨基酸序列與從香菜(parsley)分離到的病程相關蛋白PR2相似。Richard等(1994)和Snowden等(1995)從鋁敏感小麥中分離到7個鋁誘導基因，這些基因編碼的蛋白與類金屬巰基組氨酸三甲基內鹽蛋白(metallothionein-likeprotein)(wali6)、PAL(wali7)、蛋白酶抑制劑(wali3，wali5，wali6)和Asn合成酶(wali7)相似，它們表達量與鋁脅迫程度相關。Richard等(1998)進一步用擬南芥作材料，分離到一系列鋁誘導表達基因。這些基因編碼過氧化物酶、谷胱甘肽-S-轉移酶、藍銅蛋白、網狀番荔枝堿/氧化還原酶同源蛋白、SOD、Bowman-Birk蛋白酶抑制劑等。表明這些基因多與氧化脅迫有關，而且也被臭氧脅迫誘導。因此，膜脂過氧化可能是鋁毒害的重要表現(xiàn)，誘導氧化脅迫基因是植物耐鋁的重要機理。不過，這些基因和蛋白并不僅與鋁耐性有關，許多脅迫反應，包括Al、Cu、Cd毒害、病蟲侵害及Ca缺