花青素调控植物对重金属胁迫的响应

重金属作为一种主要的非生物胁迫，不仅严重制约植物的生长发育、影响农产品的品质及安全质量，还会通过食物链进入动物和人体内，最终威胁人体健康。花青素是一种广泛存在于自然界植物中的水溶性天然色素，参与植株的生长与发育、生物与非生物胁迫应答等。近年来研究发现，富含花青素的植物较普通植物的抗重金属胁迫能力强，花青素在一定程度上可缓解植物受重金属的毒害。

1 重金属对植物的危害及机理

许多重金属元素如锌（Zn）、铜（Cu）、铁（Fe）是植物所必需的营养元素，对植物生长发育起着极其重要的作用。但这些重金属营养元素的有益作用范围有限，当浓度超过其效应浓度（受体可耐受的最大限度）时就会毒害机体。而更多的重金属[如铅（Pb）、镉（Cd）和汞（Hg）等]和非金属元素[如砷（As）]并非植物生长所必需的元素，毒性大，即使在低浓度下也被认为是非常有害，能够引起受体内生理生化代谢紊乱，生长发育受抑制，达到致死浓度时，会导致受体死亡。重金屬进入植物体后会产生许多有害影响，包括抑制细胞生长、叶绿素降解、破坏光合作用和呼吸作用、养分消耗、脂质过氧化、膜解体及刺激次生代谢途径，导致作物生长受损，甚至死亡。

作为植物生长营养元素之一的Zn在高浓度时会毒害植物，主要表现为抑制生长，其特征是根系生长减缓、根系增厚、细胞分裂/伸长受损、根褐变与腐烂。主要机制是Zn与Fe和镁（Mg）具有很高的化学相似性，可在酶的活性位点替代这两种金属离子，从而干扰细胞功能。高浓度Cu不仅会引起小麦、水稻、玉米、向日葵和黄瓜的生长受抑制、氧化损伤和抗氧化反应，还会改变矿物质营养、光合作用、酶活性和叶片叶绿素含量，从而导致产量下降。Cu毒害的主要机理是Cu能够催化Haber-Weiss和Fenton反应，导致活性氧（ROS）产生，而过量ROS会破坏细胞成分从而影响细胞功能。高Fe胁迫与植物体内氧化应激、生长调控、细胞壁硬度改变及其合成等有关。

Cd不仅无生物学功能，还会通过诱导氧化应激对植物生长发育产生不利影响。Cd发挥其毒性作用是通过对蛋白质巯基的亲和力抑制ROS自由基解毒酶从而导致氧化应激。从生物学上讲，Cd在化学上与Zn、Fe和钙（Ca）相似，可在许多蛋白质的修复基中取代这些元素，导致植物缺少营养元素而影响其正常的生长发育。Pb没有已知的生物学作用，其与植物的相互作用导致ROS产生。Pb和/或ROS会抑制正常的细胞功能、生理反应和植物的整体性能，主要机制是通过破坏组织超微结构、细胞成分和生物分子而引起植物毒性。As通过根进入植物体内的主要形式是无机As（III）和As（V），而一旦进入植物根细胞，As（V）很容易转化为毒性更大的As（III）。As（V）和As（III）均会破坏植物的新陈代谢，但通过不同的机制。

铝（Al）是酸性土壤作物生长的主要限制因素。高浓度的Al3+通过与磷酸盐、硫酸盐和羰基官能团结合而破坏各种细胞生长及组分，从而抑制对Al3+敏感的作物生长并降低产量。高铬（Cr）暴露对铁氧还蛋白—烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）还原酶、NADP-异柠檬酸脱氢酶、乙二醛酶I和谷氨酰胺合成酶等多种抗氧化酶水平产生影响。Hg暴露与代谢过程、光合作用、应激反应、能量代谢、信号通路和免疫抑制等相关。

2 花青素的生物学功能

花青素不仅对人体具有较强的生理活性，对植物也具有较多的生物学功能。花青素是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一，在授粉过程中起着重要作用，花青素能在自然界花朵发育过程（如在开花和授粉后）中通过许多方式改变，为传粉者和播种者提供视觉线索以吸引动物进行授粉和果实传播。花青素改变导致的颜色变化具有一系列的生物化学机制，影响因素有温度、共色素、pH、金属、糖、花青素堆积和细胞形状等。花青素还被认为在多种植物/动物的相互作用中发挥作用，包括传粉媒介和吸引食果动物，以及排斥食草动物和寄生虫。花青素的光学特性可作为潜在食草动物的视觉信号，显示出对有毒或难吃化学物质的强大代谢包埋。花青素还涉及植物与其背景的部分伪装，潜在破坏昆虫的保护色及防御结构的拟态伪装。

花青素在营养器官中积累，不仅有利于保护光合系统免受强光和紫外线的伤害，还能提高植株抗低温、抗旱、抗病虫害、抗重金属、抗食草动物侵袭等非生物和生物胁迫。花青素可以减少在光胁迫条件下叶绿素的光抑制和光漂白。在高辐照度下植物体内的花青素通常聚集在外周组织，但也有一些例外。花青素对光的衰减有可能帮助建立新的平衡，作为植物组织的光保护屏障降低光氧化损伤的风险;在种子中积累，可作为内源性抗氧化剂保护种子内的化学物质，也有利种子休眠。

3 花青素调控植物对重金属胁迫的响应

花青素通过清除自由基、抗氧化系统的促进与激活、与重金属螯合、区室化隔离、花青素结构/调控基因表达等方式调节植物吸收转运重金属，从而缓解重金属对植物的毒害。

3. 1 清除自由基

当植物受重金属胁迫时，体内会产生过多的ROS，如超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢、单线态氧和脂氧自由基等，其化学性质比较活跃，几乎可以与各种物质发生作用，引起一系列对细胞具有破坏性的连锁反应，对光合作用、呼吸作用等有重要的不利影响，过量时可导致细胞突变或死亡、组织病变或死亡。花青素含有多个酚羟基供体，作为氢或电子供体具有较强的反应活性，是一种较强的抗氧化剂，能清除氧自由基（O·）、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基（DPPH·）、2，2'-连氮基-双-（3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸）二铵盐自由基（ABTS·）、过氧自由基（ROO·）、氢过氧自由基（HO2·）、超氧阴离子自由基和H2O2等，也可与蛋白结合抑制过氧化反应，还可清除脂质自由基，进而抑制自由基链反应的启动、切断脂肪链反应中的氧化环节、控制自由基反应传播从而抑制脂质过氧化反应。

3. 2 激发/促进内源抗氧化系统

植物体本身有抗氧化系统，包括抗氧化酶系统[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）等]和非酶系统[谷胱甘肽（GSH）、AsA等]，能够有效清除ROS以减轻植物伤害。花青素介导植物抗重金属胁迫作用就在于能够激发或促进植物体内的抗氧化系统。大量研究表明植物的抗逆性取决于其抗氧化成分，而高花青素含量的植物具有高抗氧化活性。当植物受重金属胁迫时，也会激起体内的花青素合成，提高自身抗氧化特性以缓解重金属导致的氧化压，内源花青素被激活也会提高植物体内的抗氧化酶活性进而增强植物的抗氧化性。如在硫酸铜（CuSO4）、硫酸锌（ZnSO4）、硫酸锰（MnSO4）和重铬酸钾（K2Cr2O7）胁迫下，矮牵牛花中SOD、过氧化物酶（POX）和CAT基因表达量较对照高，且花青素调控基因RsMYB1表达水平越高，SOD、POX和CAT基因表达量越高。

3. 3 螯合重金属

花青素是一种多羟基、带供电子的化合物，具有多酚结构，较易与金属离子发生螯合，其B环上的邻位羟基（-OH）能直接与金属离子螯合。已证实富含巯基（-SH）的多肽[如植物络合素（PCs）]与重金属络合是植物体内重金属解毒机制的一个重要方面。而-OH与 -SH具有相似结构，且比-SH具有更强的亲电荷性，进一步说明重金属能与富含-OH的花青素反应。

螯合物的形成：（1）因分子量变大或/和发生沉淀，降低了重金属在植物体内的移动性，从而减少重金属在植物体某个组织（如地上部）或亚细胞内（如细胞质）的含量;（2）减少向上迁移速率，也减轻对生殖器官（如花）的胁迫进而稳定产量;（3）减少在果实中的积累，进而保证果实的质量安全。如在同等生长条件下，富含花青素的黑米中总As含量较不含花青素的普通大米中总As含量低;（4）降低重金属毒性（重金属复合物的毒性较自由态小）;（5）阻止具有氧化还原活性的金属离子（如Fe2+）发生催化作用以减弱/减少自由基生成;（6）抑制氧化酶如黄嘌呤氧化酶活性（螯合Ca）从而减弱/减少过氧化物的生成;（7）能有效提高太阳光谱紫外区和可见光区的吸光值，提供进一步防线以抵御过量的有害紫外线，尤其是当叶绿体功能已受金属毒害时;（8）减少重金属与蛋白质等活性物质结合，从而减少蛋白质等活性物质失活而导致的生长受阻等。

3. 4 区室化隔离

花青素不仅能与重金属形成螯合物，还能将多余的有毒离子重新定位到无害的细胞或组织（如细胞壁或液泡）中，减轻重金属或非金属过量所引起的毒性。这样的区室化隔离不仅降低细胞质中可利用的重金属离子浓度，提高植物对重金属的耐受性，还能阻止重金属向其他组织特别是地上部的迁移。植物中金属解毒的主要途径是通过GST与GSH结合，然后通过膜相关转运蛋白将螯合物与细胞质分离，形成区室化隔离。此外，GSH是植物螯合素的胞质前体，当植物暴露于金属或类金属时，这些由GSH衍生的肽促进金属在液泡中积累，也促进金属在地上部和根之间的长距离运输。植物螯合蛋白和GSH缺失突变体对不同的金属都非常敏感，可能是因为二者无法将金属离子转移到液泡中，或无法将金属离子有效地从根部传递到地上部组织。