美合日班·阿卜力米提， 王 艷

(新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊 830046)

重金屬是一種主要的非生物脅迫因子，由于其毒性和較長的半衰期，長期存在土壤中，不僅嚴(yán)重影響自然環(huán)境和土壤肥力，還可通過食物鏈對人類健康造成不利影響。植物能夠通過對金屬的運輸、螯合、交換和區(qū)隔等調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)維持細(xì)胞環(huán)境中的金屬穩(wěn)態(tài)，并最大限度地減少必需和非必需金屬離子造成的傷害。植物螯合素(phytochelatins，PCs)和金屬硫蛋白(metallthioneins，MTs)是植物體內(nèi)重要的螯合分子，由于富含半胱氨酸(cysteine，Cys)均具有與金屬結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物的特征，但二者發(fā)揮功能的特性又有所不同。PCs是由PC合酶以谷胱甘肽(glutataione，GSH)為底物催化合成的小分子肽，而MTs是由基因家族編碼產(chǎn)生的蛋白，且分布廣泛，包括細(xì)菌、真菌、植物和動物[1]。MTs似乎比PCs具有更廣泛的金屬親和力，PCs主要與Cd解毒有關(guān)，而MTs與Cu、Zn、Cd和As等多種金屬表現(xiàn)出高親和力[2]，進(jìn)而參與金屬平衡與解毒。同時，MTs也被認(rèn)為是活性氧“清除劑”[3]。本文就近年來植物MTs的金屬平衡、重金屬解毒及活性氧清除功能及機(jī)制進(jìn)行總結(jié)。

1 MTs的分類及特征

MTs是一類低分子質(zhì)量(Mr< 10 ku)、富含半胱氨酸(20%～30%)的蛋白質(zhì)。根據(jù)Cys殘基的排列方式，MTs可以分為3類(I、II和III)：I類MTs具有20個保守的Cys殘基，僅在哺乳動物和脊椎動物中發(fā)現(xiàn)[1]；II類包含來自植物、真菌和無脊椎動物的MTs，并顯示出Cys殘基的靈活排列方式；III類MTs由PCs組成，它們是酶促合成肽，一般結(jié)構(gòu)為(γ-Glu-Cys)n-Gly(n=2～11)。植物MTs屬Ⅱ類，其氨基酸數(shù)量從45～87不等，Cys含量在10～17個殘基，芳香族氨基酸的數(shù)量從0到幾個不等，組氨酸(His)含量低。根據(jù)Cys數(shù)量及在N端的分布，分為4種類型(MT1至MT4)，且它們往往表現(xiàn)出不同器官和發(fā)育階段特異性的表達(dá)模式(表1)。

表1 植物MTs的分類與特征

植物中發(fā)現(xiàn)的4種MTs及亞型都能與金屬結(jié)合，因而發(fā)揮著金屬螯合劑或“儲存庫”的作用[4]?？臻g結(jié)構(gòu)分析顯示，植物MTs的構(gòu)象為啞鈴狀，具有兩個獨立的α結(jié)合域和β結(jié)構(gòu)域，其核心簇中包含幾個四面體的金屬-半胱氨酸(Metal-Cys)單位。N端(β結(jié)構(gòu)域)參與必需金屬離子的穩(wěn)態(tài)，而C末端(α結(jié)構(gòu)域)緊密螯合過量/或有毒金屬離子，兩個結(jié)構(gòu)域?qū)Σ煌饘俚姆磻?yīng)性和親和力促使兩個金屬簇發(fā)揮不同的功能。至于連接α和β結(jié)構(gòu)域的間隔區(qū)，可能有助于MTs蛋白的穩(wěn)態(tài)或亞細(xì)胞定位[5]，也是MT金屬解毒功能所必需的。

(a)鷹嘴豆MT1[10]；(b)鷹嘴豆MT2[7]；(c)野芭蕉MT3[11]；(d)小麥Ec-1[12]。曲線代表多肽鏈；小圓代表半胱氨酸殘基；橢圓代表組氨酸殘基；大圓代表二價金屬離子(M2+)。圖1 植物MTs與二價金屬離子結(jié)合的假設(shè)模型[13]Figure 1 Hypothetical models of plant MTs binding to divalentmetal ions[13]

2 植物MTs的金屬解毒

2.1 金屬結(jié)合特性

大多數(shù)植物金屬硫蛋白屬于Ⅱ型亞家族成員，往往能夠結(jié)合二價陽離子(圖1)，如Cd2+、Fe2+、Zn2+和Cu2+。一般而言，MTs對金屬的親和能力為Ag(I)>Cu(II)> Cd(II)>Zn(II)[6]。金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移(ligand-to-metal charge transfer，LMCT)是指光激發(fā)時，金屬的電子部分轉(zhuǎn)移至配體，從而使配體的電荷密度分布發(fā)生變化產(chǎn)生顯著移位。利用該性質(zhì)，可觀察紫外波長220～270 nm下MTs和不同濃度金屬結(jié)合后的特征移位條帶，從而確定MTs對金屬離子的結(jié)合及結(jié)合金屬離子的巰基簇數(shù)量?；诖嗽?，已明確鷹嘴豆CicMT2[7]、水稻OsMTI-2b[8]和玉米ZmMT1[9]的金屬結(jié)合特性及結(jié)合不同金屬離子的巰基數(shù)量。質(zhì)子和金屬離子間對巰基簇也存在競爭反應(yīng)[7]。特定波長下，二者的競爭表現(xiàn)為LMCT帶的pH依賴強(qiáng)度上。往往，隨著pH值的降低，LMCT帶也會降低。同時二硝基苯甲酸(dinitrobenzoic acid，DTNB)可與MTs的巰基結(jié)合并使之氧化，生成的產(chǎn)物在412 nm處具有吸收峰。通過測定不同反應(yīng)時間下的吸光值，如果金屬離子與巰基結(jié)合越強(qiáng)，DTNB對MTs的氧化速率就越慢。因而，通過紫外光譜在400～200 nm和pH 7.8～1.8條件下對MTs巰基團(tuán)的質(zhì)子化以及MTs與DTNB的反應(yīng)[9]，往往可以明確MTs與金屬離子的親和力關(guān)系。

2.2 重金屬螯合

MTs可提高植物暴露于有毒環(huán)境的金屬濃度水平，因而植物金屬硫蛋白基因的表達(dá)可作為壓力抗性的一個指標(biāo)。研究顯示，來自鹽地堿蓬的Ⅱ型金屬硫蛋白SsMT2能顯著提高大腸桿菌和煙草對Cd2+的積累和耐受性[14]；擬南芥MT1a、MT1b和MT1基因的敲除，減少突變體中金屬離子的積累，增加其對Cd2+的敏感性[15]；金屬Cu2+和Cd2+對小立碗蘚PpMT2基因的表達(dá)有較強(qiáng)的誘導(dǎo)作用，PpMT2的異源表達(dá)提高酵母和轉(zhuǎn)基因擬南芥對高濃度Cu2+和Cd2+的耐受性[16]。與Zn2+相比，栓皮櫟MT2蛋白能夠結(jié)合更多的Cd2+，表明該蛋白質(zhì)在重金屬解毒方面可能發(fā)揮重要作用[17]。

由于Cd等重金屬具有高毒性和水溶性，在相對較低濃度下就會對動物、植物和微生物造成影響，因而被認(rèn)為是非常不利的污染物。植物通過吸收和轉(zhuǎn)運等一系列機(jī)制控制金屬含量，實現(xiàn)解毒。MTs的合成是植物進(jìn)行重金屬解毒的策略之一，它通過Cys形成巰基簇結(jié)合金屬離子，形成硫醇鍵(-SH-M)，隨后結(jié)合金屬的MTs與液泡膜上的金屬轉(zhuǎn)運蛋白相互作用，被區(qū)隔至液泡，從而降低過量金屬對胞質(zhì)中重要分子或細(xì)胞器的攻擊[1]。Zn污染下的蘆葦中，大部分Zn被固定在質(zhì)外體或螯合轉(zhuǎn)運至液泡[18]。定位于超富集植物菥蓂液泡膜上的TgMTP1在植物應(yīng)對重金屬Ni、Cd、Zn和Co的耐受性方面發(fā)揮重要作用[19]。當(dāng)細(xì)胞新陳代謝需要時，金屬離子可通過其他轉(zhuǎn)運蛋白將其從液泡釋放到胞質(zhì)中。擬南芥天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白(natural resistance associated macrophage protein，NRAMP)一方面在Mn穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，另外還負(fù)責(zé)將Mn從液泡中輸出以維持線粒體Mn-超氧化物歧化酶(Mn-SOD)活性和低Mn條件下的最佳光合作用[20]。

值得注意的是，MTs對重金屬解毒不只是將胞質(zhì)中螯合的金屬區(qū)隔到低代謝活性的液泡中。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥AtMT2a和AtMT3在蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞中的過表達(dá)增強(qiáng)其對Cd2+的抗性[21]，一方面是由AtMT2a和AtMT3對Cd2+的鰲合，另一方面則間接阻止Cd2+與胞質(zhì)其他成分的相互作用或進(jìn)入細(xì)胞器，因而減少由Cd2+誘導(dǎo)的活性氧產(chǎn)生。

由于MTs和金屬離子結(jié)合的動態(tài)不穩(wěn)定性，因而可以與其他蛋白進(jìn)行金屬離子交換，如鋅轉(zhuǎn)運蛋白1(zinc transporter 1，ZnT1)[22]、螯合劑-乙二胺四乙酸(ethylene diaminetetraacetic acid，EDTA)[23]、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)[24]和其他金屬結(jié)合蛋白，這種轉(zhuǎn)移特性也是MTs發(fā)揮As[25]或Cd[26]等重金屬解毒及提供Zn、Cu[27]等必需金屬的基礎(chǔ)。在某種意義上，MTs也是通過金屬的螯合和轉(zhuǎn)移特性以緩解衰老過程中金屬離子的干擾、活性氧暴發(fā)及營養(yǎng)所需部位必需金屬離子的釋放[28]。因此，MTs不僅參與植物體內(nèi)金屬的濃度調(diào)節(jié)和重金屬解毒，還涉及衰老等生物學(xué)過程。

MTs基因在植物不同發(fā)育階段的特定組織和器官中表達(dá)，受個體發(fā)育的調(diào)節(jié)。研究顯示，擬南芥MT1a和MT2a基因均在毛狀體中高水平表達(dá)，并由MT1a和MT2a啟動子驅(qū)動的葡聚糖苷酶報告基因(glucuronidase，GUS)在Cu處理情況下也優(yōu)先表達(dá)在毛狀體中[29]。此外，重金屬Cd和Ni也分別在印度芥菜和庭薺的毛狀體中優(yōu)先積累。由于毛狀體細(xì)胞比葉肉細(xì)胞大，可作為貯存重金屬離子的場所，隨著毛狀體的衰老死亡，金屬離子可被排出體外。以上結(jié)果表明植物毛狀體作為MTs排出過量重金屬離子的通道而發(fā)揮解毒作用。

2.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用植物或相關(guān)微生物進(jìn)行環(huán)境凈化，可用于無機(jī)污染物的清除。一些植物能夠從土壤中積極吸收高濃度重金屬而未表現(xiàn)出任何毒性，因而被稱為“超富集植物”。植物修復(fù)的重要特性是對金屬的耐受和分配，其中金屬從根轉(zhuǎn)位到地上部位被認(rèn)為是確定植物金屬毒性臨界值的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，MTs是超富集植物耐受高濃度重金屬的原因之一。Cd脅迫下，伴礦景天類金屬硫蛋白SpMTL基因被誘導(dǎo)表達(dá)，一方面通過螯合作用降低胞質(zhì)中Cd的濃度，同時還通過調(diào)節(jié)根組織中的液泡螯合能力(vacuolar sequestration capacity，VSC)，促進(jìn)它們從根到芽的長距離運輸[30]。在Zn脅迫下，海蓬子金屬硫蛋白基因SbMT-2在煙草中的異源表達(dá)調(diào)節(jié)Zn2+從根向莖的選擇性轉(zhuǎn)運，因而可以作為植物修復(fù)的潛在候選靶基因[31]。

Cd、Pb和Ni等重金屬污染物往往會通過工業(yè)廢物和垃圾填埋等途徑進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)問題。如果不對廢水進(jìn)行預(yù)處理，則會導(dǎo)致高含量的Cd等金屬間接進(jìn)入土壤和農(nóng)作物中。一種低成本有效去除重金屬的方法是使用生物來源的天然材料(細(xì)菌、藻類、真菌、酵母)以生物吸附的方式進(jìn)行廢水或水溶液的處理[32]，其特點是利用活微生物進(jìn)行金屬生物吸附，優(yōu)點是生長的同時可以利用其固有的細(xì)胞內(nèi)吸收和積累重金屬的能力?；蚬こ涛⑸镌谖廴疚锏纳镄迯?fù)和生物降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景，它可通過插入特定的外源基因增強(qiáng)修復(fù)途徑。編碼植物螯合素和金屬硫蛋白的基因往往作為重金屬修復(fù)工程菌的候選基因。通過異源表達(dá)來自楊樹的Ⅱ型金屬硫蛋白PtdMT可顯著提高酵母對Cd的抗性[33]。毛果楊PtMT2b基因的異源表達(dá)顯著降低Cd對酵母的毒性[34]，且這些酵母可通過螯合作用有效去除污水中的Cd[35]。雖然攜帶毛果楊金屬硫蛋白PtMT2b酵母的吸附能力與其他生物吸附性材料相比很低，如每克板栗毛刺、松果或多金屬結(jié)合生物吸附劑(multi-metal binding biosorbent，MMBB)分別能夠吸收溶液中16.2、4.3和31.7 mg的Cd[36-37]。但這些往往還會產(chǎn)生二次重金屬污染。然而，活酵母提供恒定的生物吸附材料，不僅可以在細(xì)胞內(nèi)積累金屬，并通過內(nèi)部解毒機(jī)制不斷去除金屬。因此，可以利用金屬硫蛋白基因，結(jié)合基因工程手段開發(fā)一種以酵母為基礎(chǔ)的持續(xù)生物反應(yīng)器-生物吸附系統(tǒng)，高效地從廢液中去除Cd2+、Cu2+和Pb2+等重金屬。

2.4 應(yīng)答金屬脅迫的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

植物通過調(diào)節(jié)金屬硫蛋白基因的表達(dá)對金屬脅迫做出響應(yīng)。眾多研究表明，金屬響應(yīng)元件MRE(metalresponse element，MRE)是植物金屬硫蛋白功能性響應(yīng)元件，由高度保守的七核苷酸核心組成(5′-TGCRCNC-3′)，存在于多種植物，如花旗松金屬硫蛋白基因PmMT[38]、水稻金屬硫蛋白基因ricMT[39]和水稻I-4b類金屬硫蛋白基因OsMT-I-4b[40]的啟動子區(qū)。含有MRE的35 bp豌豆 PvSR2啟動子片段能夠以金屬誘導(dǎo)的方式激活GUS報告基因在煙草原生質(zhì)體中的表達(dá)[41]。同樣，水稻ricMT中的MRE元件對Cu脅迫下的誘導(dǎo)是必需的[39]。水稻OsMT-I-4b啟動子包含4個MRE拷貝，其存在可驅(qū)動各種重金屬脅迫下的GUS報告基因的表達(dá)[40]。

目前就金屬響應(yīng)元件轉(zhuǎn)錄因子(metal responsive element transcription factor，MTF)如何與MRE相互作用調(diào)節(jié)植物MTs表達(dá)的信息非常有限。在Cd脅迫下，豌豆鋅指轉(zhuǎn)錄因子PvMTF-1與PvSR2啟動子區(qū)的MRE元件結(jié)合[42]，通過調(diào)節(jié)色氨酸的生物合成，提高大豆對Cd脅迫的抗性。盡管MTF在動物中高度保守，但與已鑒定獲得的植物PvMTF-1同源性非常低，二者中共有的鋅指基序都是與MRE結(jié)合必不可少的結(jié)構(gòu)域。植物對鋁的抗性受鋁抗性轉(zhuǎn)錄因子1(aluminumresistancetranscription factor 1，ART1)和WRKY46轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[43]。報道顯示，在水稻鋁抗性相關(guān)的29個靶基因啟動子中均發(fā)現(xiàn)了與ART1轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的順式作用元件[44]。WRKY46轉(zhuǎn)錄因子則通過直接與順式作用元件W-boxs結(jié)合，調(diào)控鋁脅迫抗性相關(guān)的蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白基因ALMT1的表達(dá)[43]。

3 活性氧清除

重金屬、鹽、旱和冷等非生物脅迫會破壞植物體內(nèi)ROS產(chǎn)生和清除之間的平衡，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS的過量積累。盡管ROS可作為信號分子參與細(xì)胞信號傳導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控等生理過程，但過量的ROS可氧化核酸、脂類或蛋白質(zhì)等生物大分子，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷。MTs作為抗氧化防御系統(tǒng)的重要組分，具有很強(qiáng)的活性氧清除能力。動力學(xué)實驗結(jié)果顯示，MTs清除OH-的能力是已知內(nèi)源性自由基清除劑中最強(qiáng)的一種。然而，MTs與O2-的反應(yīng)活性遠(yuǎn)小于SOD和GSH，原因可能是MTs不具有像SOD那樣的活性中心，同時巰基通過形成硫醇金屬簇被包埋于蛋白的內(nèi)部，因而限制與O2-的反應(yīng)。

研究顯示：來自蕪菁BrMT[45]、木麻黃CgMT[46]、棉花GhMT[3]、水稻OsMT[47]和棗椰樹DpMT[48]基因的異源表達(dá)顯著降低轉(zhuǎn)基因植物和細(xì)菌中的ROS含量；金屬脅迫下MTs基因的表達(dá)，利于清除ROS，從而增強(qiáng)水稻幼苗對重金屬Cu2+和Cd2+的抗性[49]；在鹽脅迫下，轉(zhuǎn)水稻1型OsMT1e-P植株積累的H2O2較野生型植株少[50]；與野生型擬南芥相比，擬南芥突變體mt2a對冷脅迫表現(xiàn)出更高的敏感性，并積累更高水平的H2O2含量[51]；在重金屬脅迫下，轉(zhuǎn)芋頭pCeMT煙草明顯表現(xiàn)出較少的自由基以及脂質(zhì)過氧化物[52]。因此MTs作為非酶類抗氧化劑在植物遭受各種非生物脅迫時發(fā)揮重要作用。然而，目前MTs在體內(nèi)清除活性氧的機(jī)制仍尚未得到解析。

3.1 二硫鍵的形成

MTs是一類富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)，其通過半胱氨酸殘基形成的巰基簇與金屬離子結(jié)合。同時，基于MTs金屬硫醇簇的結(jié)構(gòu)特征，半胱氨酸殘基也涉及ROS的清除。由于MTs與金屬離子的親和力不同，會發(fā)生微弱的解離而暴露巰基，因而易受到逆境下活性氧的攻擊，被氧化形成二硫鍵(S-S)，進(jìn)而消耗ROS[12]，因此巰基的氧化[53]和MTs對金屬結(jié)合的穩(wěn)定性對其功能至關(guān)重要。

3.2 抑制線粒體中ROS釋放

早期研究發(fā)現(xiàn)，MTs參與動物細(xì)胞中線粒體的一些關(guān)鍵功能，如ROS清除[54]、金屬穩(wěn)態(tài)[55]、細(xì)胞色素c釋放[56]、膜通透性調(diào)節(jié)[57]和電子傳輸[58]等。其中，電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channels，VDACs)是線粒體外膜(outer mitochondrial membrane，OMM)中最豐富的整合膜蛋白。VDACs通過通道的打開和關(guān)閉以調(diào)節(jié)線粒體和細(xì)胞質(zhì)之間代謝產(chǎn)物的運輸。電生理學(xué)研究表明，VDACs開放時對O2-等陰離子具有選擇性，可影響線粒體膜電位和ROS的釋放。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)AtMT2b擬南芥幼苗表現(xiàn)出體內(nèi)更低的活性氧含量和更高的鹽脅迫抗性[59]。在鹽脅迫下，擬南芥AtMT2b可與線粒體外膜蛋白AtVDAC3互作，通過降低VADCs通道的開放，進(jìn)而減少線粒體ROS向細(xì)胞質(zhì)的釋放；與此同時，AtMT2b可作為抗氧化劑，直接清除鹽脅迫下的ROS，避免胞質(zhì)中各種細(xì)胞器的氧化損傷。因此，AtMT2b可通過負(fù)調(diào)節(jié)線粒體膜蛋白AtVDAC3及直接作為活性氧清除劑降低植物體內(nèi)ROS的含量。

3.3 調(diào)節(jié)抗氧化物酶

重金屬、高鹽和干旱等不利因素往往會導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的ROS，造成氧化脅迫。植物通過SOD、過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)和非酶(抗壞血酸、谷胱甘肽和酚類化合物)等復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)維持體內(nèi)ROS的穩(wěn)態(tài)。Fe、Cu和Zn不僅是植物正常發(fā)育所必需的金屬元素，同時也可作為某些酶類蛋白質(zhì)的組分，充當(dāng)酶輔因子，參與細(xì)胞氧化還原反應(yīng)，調(diào)節(jié)光合作用、呼吸作用、碳和氮代謝以及抗氧化等重要的代謝過程。

MTs緩解生物體在多種非生物脅迫下的抗性與其對抗氧化酶的調(diào)節(jié)密切相關(guān)。首先，MTs作為Zn供體，鋅指轉(zhuǎn)錄因子接受Zn被激活后調(diào)節(jié)抗氧化相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶濃度增加[60]。轉(zhuǎn)鹽角草金屬硫蛋白基因SbMT-2的煙草中，編碼SOD、POD、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)的抗氧化酶基因表達(dá)顯著提高，因而增強(qiáng)其在重金屬及鹽等逆境脅迫下的抗性[27]。其次，MTs可直接作為抗氧化酶的金屬離子供體[61]。CAT和SOD是金屬酶，需要Cu、Zn和Fe等金屬離子的活化。白骨壤2型金屬硫蛋白AmMT2對Fe2+具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，作為Fe2+供體提高過氧化氫酶CAT的活性，顯著增強(qiáng)異源表達(dá)菌株在H2O2脅迫下的生長[62]。

4 展望

植物MTs作為金屬結(jié)合蛋白質(zhì)和強(qiáng)自由基清除劑，參與金屬平衡及重金屬解毒(圖2)、非生物脅迫抗性及環(huán)境修復(fù)等諸多生物學(xué)過程。然而，植物MTs的確切功能仍不清楚。研究發(fā)現(xiàn)，MTs在植物生物防御中也發(fā)揮重要作用，如柑橘金屬硫蛋白RlemMT1通過與鋅的結(jié)合間接抑制了病原菌鋅依賴的有毒物丙烯酸酯類共聚物(polyacrylate，ACR)的產(chǎn)生，進(jìn)而抵御病原菌對植物生長的侵害[63]。

當(dāng)植物遭受金屬脅迫時，大量金屬離子積累，同時體內(nèi)活性氧暴發(fā)。一方面，MTs可調(diào)節(jié)體內(nèi)金屬的平衡：(1)富含Cys的MTs蛋白與金屬離子結(jié)合，形成硫醇鍵(-SH-M)，金屬結(jié)合的MTs與液泡膜上的金屬轉(zhuǎn)運蛋白(CDF、MRP1、MRP2和ABC)相互作用，隨后被轉(zhuǎn)運至液泡以區(qū)隔過量金屬；(2)MTs可對金屬進(jìn)行重分配，將金屬從植物地下部位向地上部位轉(zhuǎn)運，以提高植物對金屬的耐受；(3)植物的毛狀體與排水孔也可作為MTs儲存金屬離子的器官或外排金屬離子的通道。另一方面，MTs可調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧：(1)MTs對細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)非常敏感，其巰基易被ROS氧化形成二硫鍵 (S-S)，通過消耗ROS，發(fā)揮ROS 清除功能；(2)MTs也可調(diào)節(jié)抗氧化酶活性或相關(guān)基因的表達(dá)，降低細(xì)胞的氧化損傷。總而言之，植物MTs通過胞內(nèi)金屬平衡、解毒途徑及ROS清除，維持膜穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)重金屬耐受性。MTs：金屬硫蛋白；-SH：巰基；HM：重金屬離子；CDF：陽離子擴(kuò)散促進(jìn)劑；MRP1：多耐藥相關(guān)蛋白1；MRP2：多耐藥相關(guān)蛋白2；ABC：ATP轉(zhuǎn)運蛋白。圖2 植物金屬硫蛋白的金屬平衡和解毒作用機(jī)制Figure 2 The metal homeostasis and detoxification mechanismof plant metallothionein

植物MTs對重金屬解毒的諸多研究中，大多都集中在MTs通過巰基螯合重金屬的研究，而有關(guān)活性氧對金屬硫蛋白巰基的氧化，從而減少氧化脅迫的分析較少。目前尚不清楚MTs與金屬結(jié)合和ROS清除之間的相互作用。有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)ROS與MTs的Cys殘基發(fā)生氧化反應(yīng)時，釋放的金屬可能參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[64]。

動物體中金屬響應(yīng)元件MRE主要通過與其特異結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子MTF結(jié)合，調(diào)控該基因?qū)饘俚捻憫?yīng)應(yīng)答。然而，由于植物金屬硫蛋白比動物MTs發(fā)現(xiàn)晚，進(jìn)展相對緩慢，大部分植物MTs的分離純化和檢測方法還未成熟，因而限制了植物MTs調(diào)控機(jī)制的研究。盡管部分植物MTs基因的啟動子中還存在茉莉酸、脫落酸以及分生組織細(xì)胞激活有關(guān)的順式作用元件，暗示MTs參與諸多過程，調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育和對環(huán)境的適應(yīng)。然而，其轉(zhuǎn)錄激活的關(guān)鍵元件、調(diào)節(jié)蛋白的鑒定、互作蛋白的篩選及明確的信號傳導(dǎo)途徑等方面信息非常有限，急需展開更為詳盡的研究。

綜上，挖掘植物MTs的潛在功能，探索重金屬解毒、生物及非生物抗性中發(fā)生的調(diào)控機(jī)制，利用基因工程手段提高生物的脅迫抗性和生物修復(fù)能力，仍然是今后研究的重要內(nèi)容。