综述：增强作物对金属和类金属耐受性的生物强化策略

《Discover Agriculture》：Biofortification strategies for enhancing metal and metalloid tolerance in crop plants

本综述系统探讨了生物强化（Biofortification）策略在提升作物对金属/类金属耐受性及营养品质方面的前沿进展。文章深入解析了植物通过转运蛋白（ZIP、YSL、COPT、BOR、SULTR家族）、螯合过程（植物螯合素、金属硫蛋白）及区室化等机制调控元素吸收与解毒的分子网络，评估了锌（Zn）、铁（Fe）、铜（Cu）、硒（Se）、硼（B）、硅（Si）及砷（As）管控等七大关键靶点。综述强调，通过CRISPR-Cas9基因编辑、纳米材料及微生物组工程等新兴技术，可协同实现作物营养强化与逆境抗性提升，为应对土壤污染与隐性饥饿提供了多维度解决方案。

　　

植物机制对金属和类金属胁迫的管理

土壤中金属和类金属的生物有效性受pH值、氧化还原电位、有机质含量和粘土矿物组成等多种物理化学参数影响。根系分泌物通过酸化、螯合和氧化还原过程显著改变根际环境，从而增加金属溶解度及其生物有效性。植物释放柠檬酸、苹果酸和草酸等低分子量有机酸，与金属离子形成络合物，改善其在土壤溶液中的迁移。

根际微生物组通过生物吸附、沉淀和铁载体产生等过程进一步增加了复杂性。植物根际促生菌产生的铁载体能够螯合金属，增强其在根际的移动性。这些微生物铁载体可使石灰性土壤中的铁生物有效性提高高达200%，直接促进铁生物强化效果。相反，细菌沉淀反应可通过形成不溶性金属磷酸盐或金属硫化物复合物来降低金属生物有效性。

丛枝菌根真菌（AMF）共生关系显著影响金属吸收。AMF关联通过菌丝延伸至耗竭区之外，增强必需微量营养素（Zn、Cu、Fe）的吸收，同时通过真菌结构中的选择性金属结合限制有毒元素进入。近期研究表明，在生物强化计划中接种AMF可使谷物锌含量增加30-50%，同时使镉（Cd）积累减少20-40%，代表了营养强化与食品安全协同增效的途径。

根际微生物组组成可通过微生物接种剂进行有意调整，为遗传和农艺生物强化提供了补充策略。产生铁载体和植物激素（IAA、细胞分裂素）的PGPR菌株可提高植物金属吸收效率，同时刺激根系构型发育，形成养分吸收的正反馈循环。

植物通过被动（质外体）和主动（共质体）运输两种主要途径吸收金属。质外体途径通过细胞壁扩散发生，金属离子沿浓度梯度进入根细胞。共质体运输需要特定的载体蛋白进行跨膜运动，金属离子逆浓度梯度移动，需要消耗能量。

锌、铜和铁等必需金属通过特定的主动转运蛋白进入植物组织。ZIP（Zrt/Irt样蛋白）家族介导Zn、Fe、Mn和Cd的吸收。特别是水稻中的OsZIP1、OsZIP4和OsZIP5等ZIP转运蛋白在缺锌条件下表现出差异表达模式，其中OsZIP5主要负责锌从根到地上部的转运。禾本科植物利用其基于螯合的策略II吸收过程分泌植物铁载体，通过黄色条纹样（YSL）转运蛋白吸收铁-植物铁载体复合物，而非禾本科单子叶植物和双子叶植物采用基于还原的策略I方法。

铜的吸收由COPT（铜转运蛋白）家族成员介导，COPT1和COPT2作为质膜上的高亲和性Cu⁺转运蛋白。在铜缺乏条件下，FRO（铁还原氧化酶）酶将Cu²⁺还原为Cu⁺，然后进行COPT介导的吸收。硼的吸收通过NIP（类结瘤素26内在蛋白）通道发生，特别是NIP5;1，它在缺硼条件下作为被动硼酸通道发挥作用。BOR1（硼转运蛋白1）介导硼从根细胞向木质部的极性外排。硒的吸收利用硫酸盐转运蛋白（SULTR家族），因为硒酸盐（SeO₄^2-）在化学上模拟硫酸盐（SO₄^2-）。高亲和力硫酸盐转运蛋白SULTR1;2是硒酸盐进入根部的首要入口。随后，硒酸盐被还原为亚硒酸盐，并进一步代谢为硒代半胱氨酸，后者可以取代蛋白质中的半胱氨酸，赋予抗氧化特性。

非必需元素和潜在有毒物质（PTS）通过用于必需营养素的相同运输系统无意中进入植物。As(V)通过磷酸盐转运蛋白进入，Cd²⁺通过运输Ca²⁺和Zn²⁺以及Fe²⁺的转运蛋白进入。类金属的吸收遵循特定模式，水稻中的硅转运蛋白（Lsi1和Lsi2）使得亚砷酸盐（As(III)）能够进入细胞。

吸收后，金属沿根皮层径向移动，直至到达凯氏带，该结构迫使元素使用共质体途径。木质部 vessels 需要特定的转运蛋白将金属化合物外排到根外。在拟南芥中，HMA（重金属ATP酶）家族的HMA2和HMA4对于Zn和Cd进入木质部至关重要。对于铁，FRD3（铁还原缺陷3）实现柠檬酸盐进入木质部，因此铁在长距离运输前形成铁-柠檬酸盐复合物。

木质部运输主要依赖于金属-配体化学复合物进行移动。铁以铁-柠檬酸盐形式移动，铜使用铜-烟酰胺作为其载体，而锌以游离Zn²⁺和锌有机酸复合物形式运输。植物螯合素、谷胱甘肽和金属硫蛋白是关键的金属络合剂，可降低Cd和As在运输通道中的反应性。

韧皮部再分配使金属能够到达低蒸腾组织，包括发育中的器官和成熟果实，以及种子，而木质部运输则集中在成熟叶片。研究表明，金属在植物中的迁移率差异很大，K、Na、Mg、P和Cl具有高迁移率，而Zn、Cu、Ni和Fe具有中等迁移率，Ca、Mn和Fe通常表现出有限的再迁移率。

韧皮部运输中必需的过渡金属转运蛋白（螯合剂）是烟酰胺（NA）分子，它能有效运输Fe、Zn和Cu。金属-NA复合物通过YSL转运蛋白被有效地吸收到韧皮部伴胞中。植物螯合素和谷胱甘肽结合物在长距离运输过程中用于消除有毒元素。

某些植物物种通过进化获得了显著的能力来积累或排除金属。金属排斥通过改变转运蛋白的表达和活性来实现，防止有毒元素进入根细胞。被称为超富集植物的物种能够在其地上部积累极高浓度的金属而不表现出毒性症状。例如，Noccaea caerulescens（原名Thlaspi caerulescens）能够在其地上部干重中积累3%的Zn和0.5%的Cd。这些特殊的适应机制结合了卓越的金属吸收能力、优化的木质部装载机制、液泡区隔化以及增强的金属配体产生能力。

相比之下，排斥物种减少金属吸收或阻止金属向植物地上部组织的移动。通过利用Lsi2硅转运蛋白，水稻可以消除亚砷酸盐向地上部的转运，而CAX（阳离子交换器）蛋白使根细胞能够利用液泡膜转运蛋白将Cd截留在液泡内，从而阻止其向地上部移动。

细胞内区隔化过程维持着必需的金属稳态和金属解毒作用。通过液泡膜转运蛋白如NRAMP（天然抵抗力相关巨噬细胞蛋白）、CAX和ABC转运蛋白的作用，细胞避免了潜在的毒性胞质积累。铝和铅元素通过细胞壁结合过程提供了额外的排除机制。

金属硫蛋白（MTs）是小的、富含半胱氨酸的蛋白质（通常40-80个氨基酸），在植物的金属稳态和解毒中起着关键作用。与酶促合成的肽——植物螯合素（PCs）不同，MTs是基因编码的蛋白质，具有组成型和诱导型表达模式。植物MTs根据半胱氨酸排列和组织特异性表达分为四种类型（MT1-MT4）。

MTs通过多种机制发挥作用：（1）通过硫醇配位 sequestration 金属离子，特别是Cu、Zn和Cd；（2）通过半胱氨酸氧化清除活性氧（ROS）；（3）在缺乏和过量条件下维持金属稳态；（4）作为MT-金属复合物在韧皮部中进行长距离金属运输。MT基因的过表达增强了必需金属的积累和有毒金属的耐受性。例如，水稻中OsMT1a的过表达使籽粒中Cu和Zn含量增加了25-30%，同时赋予了对Cd的耐受性。同样，小麦TaMT3的过表达改善了籽粒中的锌生物强化效果，同时维持了铜稳态。

MTs和PCs之间的相互作用提供了互补的解毒机制：MTs对短期金属波动做出快速反应并维持必需金属的稳态，而PCs在严重金属胁迫下被诱导用于长期解毒。在生物强化背景下，MT基因操作为增强必需金属积累提供了优势，而不会损害植物生长，这与PC过表达不同，后者会不加区别地螯合必需金属和有毒金属。

植物细胞主要通过将亚砷酸盐与植物螯合素（PCs）结合，随后将亚砷酸盐-PC复合物 sequestration 在液泡中来解毒。砷酸盐的解毒涉及在HAC还原酶的帮助下将砷酸盐还原为亚砷酸盐，然后排出到外部介质或与PCs络合并 sequestration 在液泡中。Cd、Hg和Pb等有毒金属通过PCs络合和液泡储存进行类似的解毒。

通过修饰硫同化代谢途径增强PC生物合成，可以有效提高水稻对As和Cd的耐受性。锌指转录因子ZAT6通过激活植物基因组中GSH和PC生物合成途径中多个基因的直接或间接转录，增强了拟南芥的Cd耐受性。

除了转运蛋白和螯合剂系统，转录因子（TFs）通过协调调控多个基因来 orchestrate 金属稳态反应。WRKY转录因子，特别是WRKY6，通过抑制磷酸盐转运蛋白表达来限制砷酸盐吸收。NAC家族成员响应铁缺乏调控铁稳态基因，而MYB TFs控制苯丙烷生物合成，影响金属螯合能力。bZIP转录因子介导连接金属感知与适应性反应的应激信号级联。

MicroRNAs（miRNAs）提供金属稳态基因的转录后调控。miR398调控Cu/Zn-SOD表达，平衡铜利用与氧化应激管理。miR408靶向参与铜分布的植物蓝蛋白和漆酶基因。miR528通过靶向一个铜结合蛋白在不同铜状态下调节水稻的铜稳态。

表观遗传修饰，包括DNA甲基化和组蛋白乙酰化，提供了可遗传的金属耐受机制。重金属胁迫诱导金属转运蛋白基因启动子处的DNA甲基化变化，产生应激记忆，增强后续暴露的耐受性。通过组蛋白修饰进行的染色质重塑改变了金属响应基因的可及性，为波动的金属可用性提供了快速的适应性反应。这些表观遗传机制与生物强化特别相关，因为它们可能使改善的营养利用效率实现跨代遗传。

植物利用一系列耐受机制来应对升高的金属和类金属水平，包括限制吸收的排斥策略、隔离有毒元素的区隔化、与螯合化合物的络合以及酶促解毒系统。

生物强化的作用

生物强化是一种创新的农业方法，可同时解决作物营养增强和环境中金属/类金属毒性胁迫耐受性问题。该策略与传统修复技术根本不同之处在于，它利用自然植物生理过程来增加必需营养素含量，同时在污染土壤中建立对金属和类金属毒性的恢复力。当正确实施时，这种方法改变了植物选择性积累锌、铁、铜和硒等必需微量营养素于可食用组织的能力，同时限制镉、铅和汞等有毒元素的吸收或转运。

近期农业研究表明，生物强化对于面临人类微量营养素缺乏和人为活动导致土壤金属污染双重挑战的地区具有特殊前景。通过靶向特定的吸收途径、转运蛋白系统和内部解毒机制，生物强化创造了在植物-土壤界面功能更高效的作物，将环境挑战转化为营养机遇。

锌生物强化

锌生物强化采用农艺干预（施肥）、遗传方法（常规育种、转基因方法）和微生物接种来增强可食用植物组织中的锌含量。作为一种必需的微量营养素，锌激活超过300种酶和转录因子，调节植物的生长、发育和应激反应，同时预防人类免疫缺陷和生长迟缓。锌生物强化作物通过改善的抗氧化反应和减少有毒金属吸收表现出增强的金属胁迫耐受性。在小麦中，锌的施用通过竞争性抑制根吸收位点显著降低了镉的积累。从机制上讲，Zn²⁺和Cd²⁺竞争相同的ZIP转运蛋白结合位点，Zn对ZIP1和ZIP5转运蛋白显示出高2-3倍的亲和力。升高的锌浓度使这些转运蛋白饱和，通过竞争性排斥减少Cd进入根细胞。

分子证据表明，锌诱导金属硫蛋白基因表达，增强有毒金属的螯合能力和区室化。具体来说，Zn²⁺激活MTF1（金属响应转录因子1）和锌指蛋白，这些蛋白上调MT2和MT3的表达，增加细胞金属结合能力。同时，锌增强植物螯合素合酶活性，为有毒金属解毒提供双重螯合机制。

HarvestPlus计划已成功开发了锌生物强化小麦品种，其锌含量高出20-40%，改善了营养和非生物胁迫耐受性。一个关键的挑战仍然是优化锌的生物有效性，因为植酸相互作用会限制人体的吸收，需要针对抗营养素减少的额外育种方法。

铁生物强化

铁生物强化策略包括铁蛋白基因的遗传工程、修饰铁转运蛋白表达以及增强烟酰胺合成以改善铁的吸收和转运。铁在植物的电子传输、叶绿素合成和氮代谢中具有关键功能，同时预防全球超过16亿人受影响的人类贫血症。

铁生物强化作物表现出对类金属胁迫，特别是砷的增强耐受性。在水稻中，根表铁膜的形成作为抵抗砷吸收的物理屏障，铁生物强化品种显示籽粒中砷积累量降低高达35%。该机制涉及根表Fe²⁺氧化为Fe³⁺，形成铁氧氢氧化物膜，通过表面吸附和配体交换反应与砷酸盐共沉淀。水铁矿的晶体结构为砷酸盐提供了高亲和力结合位点，在根吸收前有效将其隔离。

通过选择性育种进行铁生物强化的珍珠粟表现出改善的耐旱性和减少的有毒金属吸收。在分子水平上，铁生物强化作物中上调的铁稳态基因，如NAS（烟酰胺合酶）和YSL（黄色条纹样）转运蛋白，有助于铁运输的同时限制有毒元素的转运。

一种有前景的方法将铁生物强化与硫强化相结合，增强了植物形成铁硫簇的能力，从而改善了对金属毒性的抗氧化防御。铁硫簇生物合成需要NFS（类固氮作用S）、SUFA（硫动员蛋白）和frataxin基因的协调表达。增强的硫可用性提高了铁硫簇组装效率，改善了电子传输链功能和氧化应激耐受性。未来的生物强化工作应考虑铁形态和生物有效性方面，以在增强胁迫恢复力的同时最大化营养效益。

铜生物强化

铜生物强化主要采用土壤改良剂、叶面喷施和铜转运蛋白基因的遗传增强来优化作物中的铜水平。铜在光合作用、呼吸作用和木质化过程中作为催化剂，同时作为参与氧化还原反应和细胞壁形成的酶的辅因子。

铜生物强化必须靶向COPT家族转运蛋白，特别是COPT1（高亲和性Cu⁺吸收）和COPT2（细胞内铜分布）。CCS（超氧化物歧化酶铜伴侣）促进铜递送至Cu/Zn-SOD，这是保护免受金属诱导氧化应激的主要抗氧化酶。HMA5（重金属ATP酶5）介导铜外排到木质部，以便长距离运输至地上部。

铜生物强化作物通过改善的超氧化物歧化酶（SOD）活性表现出对金属/类金属毒性诱导的氧化应激的增强耐受性。在大豆中，适度的铜生物强化（5-10 mg/kg）通过激活抗氧化防御机制和减少镉向种子的转运，显著增强了对镉胁迫的耐受性。铜生物强化玉米通过增强金属硫蛋白表达改善了光合效率并减轻了汞毒性症状。Cu²⁺作为MT1和MT2基因启动子中铜响应元件（CuRE）的转录诱导剂，增加MT蛋白水平，随后通过高亲和力硫醇配位结合并解毒Hg²⁺。

在铜生物强化植物中上调的SOD铜伴侣（CCS）基因促进铜向Cu/Zn-SOD的递送，增强对金属诱导活性氧的抗氧化防御。然而，谨慎校准至关重要，因为铜的最佳范围很窄（5-30 mg/kg干重），需要精确施用以避免植物毒性。未来的研究应探索铜纳米粒子应用，以实现可控释放和更高的生物强化效率，同时保持胁迫耐受性益处。

硒生物强化

硒生物强化采用硒酸盐/亚硒酸盐的土壤施用、叶面喷施、种子引发以及靶向硒蛋白表达的遗传方法。虽然硒对植物非必需，但它增强抗氧化酶调节和应激信号，同时预防人类硒缺乏症，包括克山病。

硒的吸收主要通过SULTR1;2（高亲和力硫酸盐转运蛋白）发生，这是由于硒酸盐（SeO₄^2-）和硫酸盐（SO₄^2-）的化学相似性。吸收后，硒酸盐被ATP硫酰酶和APS还原酶还原为亚硒酸盐，然后进一步还原为硒化物。硒化物可以通过硒代半胱氨酸合酶掺入硒代半胱氨酸，取代蛋白质中的半胱氨酸，赋予增强的抗氧化特性。

硒生物强化作物表现出对多种金属/类金属胁迫剂的显著交叉耐受性。在水稻中，硒生物强化（5-10μM 硒酸盐）在汞胁迫下显著降低了汞积累，同时提高了谷物产量。该机制涉及硒代半胱氨酸掺入谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和硫氧还蛋白还原酶，产生硒蛋白，其清除ROS的催化效率比含半胱氨酸的对应物高100-1000倍。

富含硒的芥菜植物通过增强的谷胱甘肽合成和抗氧化活性表现出改善的生长参数和降低的砷毒性。分子分析表明，硒触发抗氧化反应元件（ARE）途径，激活谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶基因，从而减轻金属诱导的氧化损伤。

生理机制涉及硒在氨基酸中替代硫，产生硒代半胱氨酸，从而增强活性氧清除能力。一种有前景的方法将硒与硅生物强化相结合，为应对多种金属胁迫剂提供协同保护。未来的研究应解决硒在土壤-植物系统中的形态和转化，以优化营养价值和针对金属/类金属胁迫的保护效果。

硼生物强化

硼生物强化利用叶面喷施、增强B-转运蛋白（BOR1/NIP5;1）的遗传改良以及根际管理来优化硼的可用性。硼在细胞壁结构、膜完整性和生殖过程中起着重要作用，同时预防人类关节炎和骨骼疾病。

硼生物强化的分子基础需要协调调控NIP5;1（被动硼酸流入通道）和BOR1（主动硼酸盐外排转运蛋白）。在缺硼条件下，NIP5;1在质膜上积累，增加硼吸收，而BOR1显示在根细胞远端极定位，促进木质部装载。通过microRNA和蛋白质降解的转录后调控为硼波动提供了快速响应。

硼生物强化作物通过改善的细胞壁稳定性和膜保护表现出增强的金属胁迫耐受性。在小麦中，最佳硼生物强化（2-3 kg/ha）通过形成B-Al复合物显著降低了铝毒性，这些复合物减少了铝的细胞壁结合能力。硼