朱凡，雷佳奇，黃鑫浩，于志民

（湖南農(nóng)業(yè)大學，湖南 長沙 410128）

快速的城市化與工業(yè)化致使土壤受到了嚴重的重金屬污染[1]，由于重金屬具有毒性、持久性和累積性，在土壤之中不易降解[2]，一旦達到一定濃度后，就可能威脅到人類健康，有學者總結(jié)了包括鎘（Cd）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）、銅（Cu）、鎳（Ni）及鋅（Zn）在內(nèi)的8 種重金屬對人類健康的影響[3]；也有學者通過研究發(fā)現(xiàn)，由采礦所導(dǎo)致的重金屬污染已嚴重威脅到當?shù)亍寥?水-植物’生態(tài)系統(tǒng)[4]。因此，土壤重金屬污染的修復(fù)與治理是一個迫在眉睫的問題[5]。植物修復(fù)技術(shù)因其經(jīng)濟實用、環(huán)境友好、原位修復(fù)的特點備受關(guān)注[6]。植物修復(fù)是指植物通過吸收、固定、根濾等功能，去除土壤中的重金屬，或改變重金屬的形態(tài)，降低其遷移性，最終達到修復(fù)污染土壤的目的[7-8]，植物中能將土壤中的重金屬吸收并固定于體內(nèi)，且吸收的金屬濃度比普通植物高100倍的則被稱為超富集植物[9-10]。目前已被證實的超富集植物多為草本，如褐藍菜Noccaea caerulescens對Ni、Zn 超富集；龍葵Solanum nigrum、油菜Brassica napus對Cd超富集；蜈蚣草Pteris vittata、鳳尾蕨Pteris ensiformis對As 超富集；東南景天Sedum alfredii對Zn 超富集；商陸Phytolacca acinosa對Mn 超富集等[10-11]。但植物修復(fù)技術(shù)大規(guī)模工程不僅需要這些草本超積累植物，也需要耐性強的多年生植物，因此樹木應(yīng)用于土壤重金屬污染的修復(fù)開始進入到人們的視野中，木本植物由于生長周期長，在各種復(fù)雜環(huán)境均擁有較大生長量，兼具經(jīng)濟和生態(tài)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景[12-14]。

光合作用是植物獲取物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)光合作用在重金屬脅迫下的系統(tǒng)失調(diào)，是引起植物整體生長和產(chǎn)量下降的關(guān)鍵原因[15-16]。光合作用對重金屬脅迫的響應(yīng)非常復(fù)雜，特別是包含光吸收、能量轉(zhuǎn)化和電子傳遞等階段的光反應(yīng)過程，更容易受到外界環(huán)境的干擾[16]。大量研究表明不同樹種在重金屬脅迫下光合適應(yīng)性不同[17]，不同重金屬攻擊的位點不同[18-19]，而不同光合電子傳遞途徑也具有保護作用[20]，因此為了更好地利用木本植物去修復(fù)重金屬污染土壤，本文綜述了木本植物光反應(yīng)過程對重金屬脅迫的響應(yīng)：1）重金屬對木本植物光反應(yīng)過程的影響，重點綜述基于光合作用篩選的耐性強樹種以及對光合色素系統(tǒng)、光系統(tǒng)（光系統(tǒng)Ⅱ（Photosystem Ⅱ，PS Ⅱ）與光系統(tǒng)Ⅰ（Photosystem Ⅰ，PS Ⅰ））、電子傳遞過程的影響；2）重金屬脅迫下木本植物光反應(yīng)過程的調(diào)節(jié)響應(yīng)，主要是非光化學猝滅、循環(huán)電子流和水水循環(huán)等保護機制。以期從葉片光合作用的角度認識木本植物對重金屬污染環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)，為重金屬污染地的修復(fù)治理和植被重建提供科學依據(jù)。

1 木本植物對重金屬脅迫的耐受性

長期以來，已有許多學者基于光合作用研究了木本植物對重金屬的耐受性（表1），發(fā)現(xiàn)耐性強的樹種有苦楝Melia azedarach、秋華柳Salix variegata、銀 芽柳Salix leucopithecia、女貞Ligustrum lucidum、桑樹Morus alba，較強的有櫸樹Zelkova schneideriana、欒樹Koelreuteria paniculata、香樟Cinnamomum camphora、楊樹、白樺Betula platyphylla、檫木Sassafras tzumu等。

表1 基于光合作用統(tǒng)計木本植物對重金屬耐受性的研究Table 1 Tolerance of woody plants to heavy metals based on photosynthesis

在重金屬脅迫下，木本植物均表現(xiàn)出光合速率不同程度的下降，根據(jù)Faqruhar 和sharkeyt 的研究，脅迫環(huán)境抑制植物光合作用的原因可分為氣孔因素與非氣孔因素[21]。氣孔因素主要是脅迫引起氣孔導(dǎo)度下降，使CO2進入葉片受阻，導(dǎo)致光合速率下降[22]；而非氣孔因素較多，主要是由于脅迫損傷了光合機構(gòu)或抑制了酶的活性，可總結(jié)為以下四點：

1）損傷葉綠體結(jié)構(gòu)，影響基粒的形成以及其垛疊形式，破壞類囊體結(jié)構(gòu)[23]，降低光合色素含量[24-31]；2）破壞光合機構(gòu)，如使PS Ⅱ反應(yīng)中心受損[18,32-35]，降低PS Ⅱ活性[36]，進而影響光化學反應(yīng)；3）抑制光合電子傳遞，導(dǎo)致反應(yīng)中心供體側(cè)與受體側(cè)電子傳遞不平衡，引起電子載體的過度還原，降低光合速率[26,29-30,34-37]；4）使卡爾文（Calvin）循環(huán)中的一些關(guān)鍵酶失活，降低固定CO2的能力[38]。

2 重金屬脅迫對木本植物光反應(yīng)過程的影響

光合作用的光反應(yīng)階段包括光捕獲、激發(fā)能轉(zhuǎn)換、電荷分離、圍繞PS Ⅰ與PS Ⅱ的電子傳遞、ATP 與NADPH 的合成等過程，主要在葉綠體的類囊體膜上進行。研究表明，重金屬對植物光反應(yīng)過程表現(xiàn)出多位點的損傷（圖1A）。因為逆境會抑制植物葉片的光合速率，導(dǎo)致植物所捕獲吸收的光能未被有效利用，造成激發(fā)能過剩，若過剩的能量未被及時清除，便會造成葉綠體中活性氧（Reactive oxygen species,ROS）的積累[50]，葉綠體中過量的ROS 會抑制光合色素合成、加快光合色素降解，降低光合色素含量[51]，進而影響光能的吸收、傳遞及轉(zhuǎn)換效率[16]（圖1B）；也會破壞蛋白質(zhì)、DNA、RNA 等生物大分子，如降低蛋白質(zhì)功能、加速蛋白質(zhì)降解，破壞了類囊體膜上光系統(tǒng)復(fù)合體中的蛋白結(jié)構(gòu)，致使光系統(tǒng)活性下降，從而抑制光反應(yīng)各過程，降低植物光合速率[52]（圖1C）。

圖1 重金屬脅迫下的光反應(yīng)過程Fig.1 The light reaction under heavy metal stress

2.1 對光合色素系統(tǒng)的影響

所有綠色植物都含有光合色素—葉綠素（Chlorophyll,Chl）和類胡蘿卜素（Carotenoid,Car），Chl 包括葉綠素a（Chlorophyll a，Chl a）和葉綠素b（Chlorophyll b,Chl b），Car 包括胡蘿卜素和葉黃素。Chl 主要進行光能的吸收與轉(zhuǎn)換，Car 參與光吸收與光保護。

在重金屬污染的環(huán)境中，植物葉片會發(fā)生退綠的現(xiàn)象[53]。研究表明重金屬會影響光合色素的合成，如Cd（25 mg·kg-1）、Pb（750 mg·kg-1）復(fù)合脅迫下，顯著降低了桑樹光合色素含量，且程度強于單一脅迫[46]。Zhou等[23]研究Pb 對刺槐Robinia pseudoacacia幼苗光合作用的影響時，發(fā)現(xiàn)隨著Pb 濃度的增加，葉肉細胞超微結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生改變，意味著Pb 損傷了葉綠體結(jié)構(gòu)，抑制了Chl 的合成，致使其含量下降。重金屬對植物的Chl 含量的影響還存在“低促高抑”的劑量效應(yīng)，有研究表明在適當?shù)腃d（20 mg·kg-1）脅迫下檫木葉片中Chl 含量有所增加，原因可能是Cd 的絡(luò)合物會促使植物從土壤中吸取Mg、Fe、K、P等離子，加快葉片中卟啉環(huán)的形成[25]；但高濃度重金屬脅迫對Chl 合成的抑制就會制約其光合作用的正常進行[38,54]。重金屬導(dǎo)致植物Chl 含量減少的原因，可能是Chl 中的Mg2+被Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+或Ni2+取代。有研究指出，重金屬毒性與Chl 四吡咯環(huán)中Mg 的取代率成正比關(guān)系，這種毒性效應(yīng)的大小可排列為Hg2+、Cu2+、Cd2+＞Zn2+＞Ni2+＞Pb2+[55]；或重金屬取代Fe2+、Mg2+等離子或與葉綠體蛋白質(zhì)的巰基（-SH）結(jié)合[56-57]；也有學者認為是重金屬離子影響了植物吸收礦質(zhì)元素，如Cd，Cr 脅迫影響了Mn 和N 的吸收，間接抑制了Chl 的合成[26,28,58]。

Car 不僅可作為天線色素吸收光能并將其傳遞給Chl，還在保護Chl 和光系統(tǒng)方面發(fā)揮著重要作用，如Car 中葉黃素可有效猝滅光合機構(gòu)吸收的過剩光能[59]；它也是一類強活性的內(nèi)源抗氧化劑，能有效清除葉綠體中產(chǎn)生的單線態(tài)氧（1O2）[60]。但重金屬脅迫也會使Car 含量顯著下降，且隨著脅迫程度的加重，抑制作用更為明顯[46]，可能是因為重金屬脅迫下Car 代謝期間玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶（Zeaxanthin epoxidase，ZE）與紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶（Violaxanthin de-epoxidase，VDE）表達顯著減少，意味著葉黃素循環(huán)與非光化學猝滅相關(guān)的能量耗散機制受到損害[38]，進而引起更高程度的氧化損傷，破壞光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低光合效率[61]。因此，Car 含量的高低也可反映植物光合機構(gòu)在逆境下受損的程度[62]。

2.2 對光系統(tǒng)的影響

2.2.1 對PS Ⅱ活性的影響

PS Ⅱ-LHC Ⅱ超級復(fù)合體包含了由D1 和D2蛋白組成的反應(yīng)中心，以及兩個主要的內(nèi)周天線蛋白CP43 和CP47[63]，LHC Ⅱ是植物體中的捕光天線復(fù)合體，主要是與Chl b 結(jié)合[64]。PS Ⅱ復(fù)合體主要參與光合作用中光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換，以及放氧等過程。

國內(nèi)外通過研究PS Ⅱ反應(yīng)中心的電子傳遞或能量平衡來了解PS Ⅱ活性受損狀態(tài)[34,37,45]，發(fā)現(xiàn)重金屬脅迫下，PS Ⅱ反應(yīng)中心會部分失活[65-66]，而高濃度的重金屬會導(dǎo)致PS Ⅱ反應(yīng)中心不可逆的損傷[32-33]。這可能是由于重金屬與PS Ⅱ供受體側(cè)蛋白中的-SH 結(jié)合，破壞蛋白功能，阻擾PS Ⅱ中的電子傳遞，導(dǎo)致反應(yīng)中心兩側(cè)不平衡的氧化還原狀態(tài)，并產(chǎn)生過量的ROS攻擊PSⅡ反應(yīng)中心[65]；還可能通過PQ 庫直接損傷PS Ⅱ的功能，或通過抑制光合碳還原循環(huán)酶和ATP 含量變化的負反饋調(diào)節(jié)來間接損傷PS Ⅱ[67]。Deng等[65]認為PS Ⅱ反應(yīng)中心受損主要是因為D1 蛋白的虧損、P680與Pheo 的降解，可能是因為重金屬脅迫下的過量激發(fā)能導(dǎo)致1O2增多，干擾了蛋白質(zhì)翻譯的步驟，從而抑制D1 蛋白合成，破壞PS Ⅱ蛋白修復(fù)周期[68]。黃鑫浩[66]認為重金屬脅迫下PS Ⅱ中心的D1蛋白的降解速度比D2 快，D1 蛋白是光損傷的主要靶點。還有研究者發(fā)現(xiàn)重金屬會脅迫加快Chl降解，破壞PS Ⅱ-LHC Ⅱ復(fù)合體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致LHC Ⅱ捕光效率下降，抑制光能的吸收，影響原初光化學反應(yīng)[16]。另外，重金屬Cd 對PS Ⅱ活性的毒害機制也取決于光照輻射強度，高光強輻射下，Cd 會直接損傷PS Ⅱ反應(yīng)中心；而黑暗時期，Cd2+會與Chl 中的Mg2+置換從而損壞LHC Ⅱ，引起PS Ⅱ活性下降[69]。在Cd 處理下的離體黑麥Secale cereale葉片中，Lhcb1 與Lhcb2 蛋白分子量減少，意味著Cd 也會通過抑制蛋白對LHC Ⅱ結(jié)構(gòu)的修飾來影響LHC Ⅱ 聚集程度，進而干擾LHC Ⅱ的光保護能力，導(dǎo)致PS Ⅱ的光化學效率顯著降低[19]。

2.2.2 對PS Ⅰ活性的影響

在PS Ⅰ復(fù)合體上，不僅含有11～12 個蛋白亞基，而且反應(yīng)中心上結(jié)合著多個電子傳遞體，再加上原位測定技術(shù)的欠缺等原因，限制了學者們對非生物脅迫環(huán)境下PSⅠ活性及光抑制的研究。但隨著活體測定技術(shù)的發(fā)展，逐漸有學者開始關(guān)注各種逆境環(huán)境下PS Ⅰ活性的響應(yīng)、光抑制發(fā)生的條件以及光抑制的防御機制等方面[70-71]。

前人研究發(fā)現(xiàn)，在逆境下PS Ⅱ更容易發(fā)生光抑制，而PS Ⅰ在逆境下比較穩(wěn)定。Bazzaz 和Govindjee 的試驗表明，在Cd 處理下的離體玉米Zea mays 葉片中，其PS Ⅱ活性受Cd 脅迫的影響而顯著降低，而PS Ⅰ的活性并未受到影響[72]。由于PS Ⅰ中蛋白質(zhì)分布致密，PS Ⅰ復(fù)合體輕易不會受損，但當光反應(yīng)過程受阻，電子傳遞體被過度還原時會產(chǎn)生ROS，如PS Ⅰ鐵氧還蛋白（Fd）的過度還原，O2-在PS Ⅰ受體側(cè)積累，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并降低其功能，影響PS Ⅰ整體性能[73]。如Lysenko等[74]研究Cu 和Cd 處理下大麥Hordeum vulgare葉片PS Ⅰ的活性后發(fā)現(xiàn)，在80 μM Cd 處理下，大麥葉片的PS Ⅰ活性受到抑制，且PS Ⅰ反應(yīng)中心的數(shù)量減少，可能是因為PS Ⅰ受體側(cè)鐵硫中心和葉綠醌遭受光破壞，進而導(dǎo)致反應(yīng)中心Psa B 基因產(chǎn)物降解，使P700 失活[34]；在80 μM的Cu 處理下，對大麥葉片PS Ⅰ的抑制主要出現(xiàn)在供體側(cè)[74]。這與Deng等[65]在Hg 脅迫下鐵皇冠Microsorum pteropus葉片中PS Ⅰ活性的研究結(jié)果相似?？赡苁侵亟饘倜{迫下PS Ⅱ中LHC Ⅱ尺寸大小發(fā)生改變，限制PS Ⅰ供體側(cè)光吸收，進而影響PS Ⅰ光化學效率，而Parmar 和Kumari 認為Cd 會引起細胞器中鐵元素的減少，可能是因為Cd抑制了根對Fe 的吸收，限制了葉綠體中Fe 的運輸和Fd 的合成，進而導(dǎo)致PS Ⅰ復(fù)合體受損，也可能是因為長期缺鐵會導(dǎo)致類囊體中產(chǎn)生ROS，會破壞鐵硫蛋白及Lhca 蛋白，從而影響PS I 活性[69]。

2.2.3 對光合電子載體的影響

光合作用中通過非循環(huán)電子傳遞及其偶聯(lián)的光合磷酸化形成同化力的過程，是類囊體膜上的兩個光系統(tǒng)在電子傳遞體（PQ、Cyt b6/f、PC、Fd）的串聯(lián)下協(xié)調(diào)完成。如圖1A 所示，植物的光合作用對重金屬脅迫表現(xiàn)出很高的敏感性，光合電子傳遞鏈上也具有多個重金屬損傷位點，且不同重金屬脅迫類型不同，受損位點也不一致。

通過快速葉綠素熒光動力學曲線可以清晰地了解脅迫下PS Ⅰ與PS Ⅱ間的電子傳遞變化[75]。在重金屬脅迫后的OJIP 曲線中，O-J 段出現(xiàn)K-band意味著OEC 的失活[35]，OEC 是重金屬脅迫下發(fā)生損傷的首要位點，其原因可能是一些二價重金屬離子會與OEC 簇中的Ca2+發(fā)生置換，導(dǎo)致OEC 結(jié)構(gòu)變化[37]（圖2）；Liang等[35]的研究中，Mn 脅迫之后也發(fā)現(xiàn)了OEC 的失活，這可能是由于Mn 的積累使Mn 在OEC 內(nèi)Ca/Mn 簇的競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位，影響其原本平衡狀態(tài)，甚至可能導(dǎo)致Mn4CaO5解體。錳簇的破壞會對PS Ⅱ造成原發(fā)性的光損傷，因為脅迫阻斷了OEC 與PS Ⅱ反應(yīng)中心間的電子傳遞，極大地增加了由LHC Ⅱ所吸收光能對PS Ⅱ的損傷潛力[60]。Pb，Cu，Hg，Ni，Zn 和Al 會解離類囊體腔側(cè)OEC 的外源多肽，取代Cl-和Mn，從而阻礙氧釋放的過程[76-77]。

圖2 重金屬脅迫下快速葉綠素熒光（OJIP）瞬變Fig.2 A typical chlorophyll a fluorescence transient(OJIP curve) under heavy metal stress

重金屬脅迫下OJIP 曲線中J-step 與I-step 的上升，意味著數(shù)量增多，表明重金屬顯著抑制PS Ⅱ受體側(cè)電子傳遞，導(dǎo)致QA、QB過度還原，減少了活性QA、QB的數(shù)量，促使不斷積累[78]。研究發(fā)現(xiàn)，Al 通過與QA、QB間的非血紅素鐵Ⅱ相互作用或置換，抑制了QA、QB間的電子轉(zhuǎn)移[79]；當QB下游電子傳遞受阻，QA、QB處累積大量電子，促使QA、QB不斷還原，形成過量、QB-[35]。且有學者發(fā)現(xiàn)，在Mn 脅迫下，QB下游電子傳遞比QA、QB間電子傳遞受阻更嚴重[34]，意味著Mn 會導(dǎo)致QA、QB過度還原并產(chǎn)生大量ROS 破壞光合機構(gòu)，減少PS Ⅱ中活性反應(yīng)中心數(shù)量[50]。Sm 是將OJIP 曲線和F=Fm 間面積標準化后所得數(shù)據(jù)，Sm 的下降表示PQ 庫的尺寸變小，說明從QA處傳來的電子變少，導(dǎo)致非還原性QA增多、QB-過量積累[37]，這與PS Ⅱ受體側(cè)QA、QB電子傳遞受阻結(jié)果一致。有研究報道Zn、Cu 等必需微量元素能破壞離體菠菜Spinacia oleracea的酪氨酸（TyrZ、TyrD）[80-81]，但在木本植物中尚未發(fā)現(xiàn)重金屬對酪氨酸的影響。目前重金屬脅迫下光合電子的研究主要集中于PS Ⅰ與PS Ⅱ供受體側(cè)之間電子傳遞效率的方面，對于其他的電子遞體（如Cyt b6/f、PC）是否也在脅迫環(huán)境下受損失活目前尚未見研究報道。

3 重金屬脅迫下木本植物光系統(tǒng)的保護機制

3.1 非光化學淬滅

非光化學淬滅（Non-photochemical quenching，NPQ），是指LHC Ⅱ?qū)⒍嘤嗟募ぐl(fā)能以“熱”的形式耗散，也叫熱耗散[82]，是植物光保護機制中一種重要的、快速的防御措施。熱耗散與LHC Ⅱ的結(jié)構(gòu)變化息息相關(guān)[83]，逆境下，脅迫會誘導(dǎo)跨類囊體膜質(zhì)子梯度（ΔpH）形成，引起LHC Ⅱ質(zhì)子化、紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化，使LHC Ⅱ從聚光狀態(tài)轉(zhuǎn)換到耗能狀態(tài)，形成耗散中心，以熱的形式耗散過量的激發(fā)光，其中Psb S 蛋白會增加類囊體膜的流動性，進一步促進LHC Ⅱ構(gòu)象變化[84]。而依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散也是植物抵抗光抑制的主要機制[85]，主要以3 種機制來保護光合機構(gòu)：1）縮短激發(fā)態(tài)葉綠素（*Chl）分子的存在周期，進而減少PS Ⅱ反應(yīng)中心及LHC Ⅱ中1O2的產(chǎn)生；2）阻止類囊體的過度酸化和長壽命P680+的產(chǎn)生；3）降低PS Ⅰ還原O2的速率[86]。這一系列的耗散過程，使植物在面對脅迫環(huán)境時，能有效地通過自身調(diào)節(jié)，將過剩光能以熱的形式耗散，減輕重金屬對光系統(tǒng)反應(yīng)中心的損傷程度[87]。近年來，研究者為進一步量化和區(qū)分NPQ 的過程，根據(jù)響應(yīng)速度的不同，將其分為兩部分，分別是快相弛豫（NPQf）和慢相弛豫（NPQs），其中NPQf也被稱為能量猝滅，是一種無害的熱能耗散過程，與ΔpH 誘導(dǎo)的葉黃素循環(huán)中，紫黃質(zhì)向玉米黃質(zhì)的光轉(zhuǎn)化有關(guān)。NPQs是一種在黑暗中具有較慢的松弛動力學活性，與植物的光損傷或光抑制有關(guān)[88]。有研究發(fā)現(xiàn)，木本植物苦楝在低濃度的Zn脅迫下，NPQf高于NPQs，這表明基于熱耗散的光保護反應(yīng)使得苦楝的光合機構(gòu)避免被損傷；但隨著Zn 脅迫濃度的升高，NPQf低于NPQs，這說明無害的光保護過程已不能充分耗散多余的激發(fā)能，光系統(tǒng)間“滿溢”的激發(fā)能只能通過NPQs耗散，損傷了苦楝的光合機構(gòu)[66]?？傮w而言，植物在重金屬脅迫下，基于非光化學猝滅的熱耗散過程會被激活，使過多的激發(fā)能在到達反應(yīng)中心前，通過捕光天線將過剩的激發(fā)能耗散，從而達到保護光合機構(gòu)的作用。另外，這種猝滅狀態(tài)的維持時間也吸引了很多研究者的關(guān)注。

2003 年，?quist 和Huner 的一項關(guān)于常綠植物光合作用的綜述中指出越冬的針葉樹種會在冬季進入“持續(xù)淬滅”狀態(tài)[89]。2020 年的一份研究便揭示了造成這種“持續(xù)淬滅”狀態(tài)的發(fā)生機制：類囊體的垛疊形式會將PS Ⅱ與PS Ⅰ復(fù)合體混合，使PS Ⅱ與PS Ⅰ間發(fā)生直接能量傳遞[90]。有學者通過將擬南芥Arabidopsis thaliana野生型、stn7和tap38突變體植株與保留動態(tài)類囊體堆積但缺乏狀態(tài)轉(zhuǎn)換的PsaL突變體進行比較，證明了擬南芥動態(tài)類囊體堆疊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)同工作以避免PS Ⅰ受體側(cè)限制[91]。由于重金屬污染具有持久性，對木本植物的脅迫通常是長期的，因此在重金屬脅迫下，木本植物是否具有這種“持續(xù)猝滅”的能力，也可以作為重金屬脅迫下木本植物的光保護機制去探索。

3.2 環(huán)式電子流

環(huán)式電子流（Cyclic electron flow，CEF）是指光合電子傳遞鏈的電子在PS I 末端進入Fd 后，并未達到NADP+，而是經(jīng)Cyt b6/f、PC 等復(fù)合體后又返回PS I 的循環(huán)過程。Miyake 根據(jù)電子通量大小將CEF 分為快相CEF（FCQ 與FCB，F(xiàn)CB 不產(chǎn)生ΔpH）與慢相CEF（FQR 與NDH），并表明CEF 必須在PS Ⅰ與PS Ⅱ協(xié)同作用下運行[20]。其中慢相CEF 的FQR，即PGR5/PGRL 1（質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)蛋白）途徑與NDH（NDH 脫氫酶復(fù)合體）途徑為CEF 主要途徑（圖1A）。據(jù)報道，CEF 可通過增加ΔpH，平衡ATP/NADPH、滿足高效碳固定，誘導(dǎo)激發(fā)NPQ 保護PS Ⅱ，穩(wěn)定OEC，調(diào)節(jié)LEF保護PS Ⅰ[92]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd 脅迫下木荷PS Ⅰ受體側(cè)電子還原效率增加，可能是通過PS Ⅰ的環(huán)式電子流的形式，讓電子重新從Fd 回到PQ，加快PS Ⅰ受體側(cè)處的電子還原[37]，從而將累積于PS Ⅰ的電子傳遞給其他的電子載體，一定程度上緩解了PS Ⅰ反應(yīng)中心的壓力，進而維持光合作用繼續(xù)高效進行?？嚅~片在高濃度Zn 脅迫下，CEF 的光保護機制啟動，隨著Zn 脅迫時間的延長，低和中濃度下，CEF 也被激發(fā)，高活性的CEF 有利于ΔpH 的建立，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生NPQ。在重金屬脅迫下，CEF 對光系統(tǒng)的保護作用主要是下調(diào)從PS Ⅱ到PS Ⅰ的電子流，防止PS Ⅰ反應(yīng)中心的過度還原，減少了類囊體膜內(nèi)超氧自由基（O2-）和1O2的產(chǎn)生，避免ROS 攻擊類囊體膜、減輕了光系統(tǒng)發(fā)生光抑制和光破壞的程度[92]。在干旱脅迫下，桑樹的PGR5 途徑和NDH 途徑上電子流的顯著增強也進一步說明了CEF 的激發(fā)可有效避免PS Ⅰ產(chǎn)生光抑制[93]。

NPQ 與CEF 兩種保護機制都涉及重要因子—ΔpH，ΔpH 是調(diào)控熱耗散的關(guān)鍵因子，CEF電子傳遞過程會形成ΔpH，因此在脅迫環(huán)境下NPQ 與CEF 會有機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，保護PS Ⅱ、PS Ⅰ的活性與功能[66]。NPQ 與CEF 是植物在不利環(huán)境下緩解光抑制的兩種主要方式，也是木本植物光合作用對重金屬脅迫的調(diào)節(jié)方式，研究分析NPQ、CEF 與重金屬脅迫下植物耐性體現(xiàn)的相關(guān)性，對于尋找耐性木本樹種具有極大的理論價值。

3.3 其他機制（水水循環(huán)）

水裂解產(chǎn)生的電子經(jīng)過PS Ⅱ到PS Ⅰ的末端Fd 后，傳至O2并最終生成水的方式，稱為梅勒反應(yīng)，也叫水水循環(huán)（Water-water cycle，WWC）[94]。有學者指出，WWC 可以清除葉綠體中的ROS，可作為光合電子庫分流PS Ⅰ末端電子促進P700再氧化、誘導(dǎo)非光化學猝滅并耗散多余的激發(fā)能以及供應(yīng)ATP 以維持CO2的同化[20]。研究認為，逆境下植物體中高效運轉(zhuǎn)的WWC 是保護光合機構(gòu)免受光抑制破壞的重要機制。因為脅迫會導(dǎo)致光合電子傳遞受阻，引起電子載體過度還原形成ROS，而O2作為PS Ⅰ末端電子受體，會被氧化成繼而被SOD 催化發(fā)生歧化反應(yīng)，形成H2O2后繼續(xù)被APX 催化形成H2O，有效抑制OH 的產(chǎn)生，因此WWC 在保護PS Ⅰ上有著不容忽視的功能[94]。Huang等[95]發(fā)現(xiàn)波動光下調(diào)節(jié)PS Ⅰ氧化還原狀態(tài)在物種之間存在很大差異，如山茶Camellia japonica與蕨類植物Cyrtomium fortunei主要依賴WWC 途徑實現(xiàn)PS Ⅰ快速氧化，可以通過分流PS Ⅰ末端電子或使O2快速光還原而實現(xiàn)P700 再氧化，減輕PS Ⅰ在波動光下的光損傷，這在波動光脅迫后的鐵皮石斛Dendrobium officinale中也有類似結(jié)果[96]。但白芨Bletilla striata與擬南芥在波動光下發(fā)現(xiàn)PS Ⅰ過度還原時伴隨著相對較低的ΔpH，意味著兩者PS Ⅰ的氧化還原狀態(tài)主要由ΔpH 調(diào)控[95]。

有學者探究了波動光下WWC 對溫度的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)WWC 在4℃時不能有效地耗散能量，導(dǎo)致ROS 積累[97]。在Sun等[98]的研究中也有類似結(jié)論，并表明在4℃時CEF 活性會有所增強進而補償WWC 失活部分。Uzilday等[99]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下條葉藍芥Thellungiella parvula中編碼WWC 中抗氧化酶與脯氨酸合成酶的基因上調(diào)，增強WWC中酶的活性及表達，有效地緩解了葉綠體中ROS積累，保護光合機構(gòu)。但Driever 和Baker 認為，當CO2同化受到限制時，菜豆Phaseolus vulgaris與玉米葉片中WWC 不是耗散過量激發(fā)能的主要替代電子流[100]。而Cai等[101]通過假設(shè)與模擬計算，發(fā)現(xiàn)限制CO2同化后，山茶中的WWC 能平衡ATP/NADPH 能量需求。所以，WWC 在光合調(diào)節(jié)中的生理意義可能取決于植物種類和生長環(huán)境，重金屬脅迫下木本植物葉片中WWC 緩解光抑制的生理功能也值得進一步研究。

4 結(jié)論與展望

光合作用是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，非生物脅迫對光合作用的影響是引起植物整體生長和產(chǎn)量下降的關(guān)鍵因素。目前關(guān)于非生物脅迫下光合作用的研究，多集中于干旱[102]、高光強[98]、波動光[103]、低溫[104]、鹽堿環(huán)境[105]等方面，然而光合作用特別是光反應(yīng)過程對重金屬脅迫的反應(yīng)十分敏感，研究表明重金屬對光反應(yīng)過程的影響是存在多個作用位點的，主要是重金屬離子可以取代葉綠素分子和PS Ⅱ放氧復(fù)合體中的基本元素，以及重金屬產(chǎn)生的活性氧干擾了光合電子傳輸，造成了氧化損傷。那么，光合的調(diào)節(jié)機制如NPQ、CEF、WWC 會啟動應(yīng)對重金屬脅迫。筆者認為NPQ 與CEF 能有效緩解重金屬造成木本植物光損傷，但WWC 在木本植物應(yīng)對重金屬脅迫的保護程度大小有待進一步驗證。另外，本研究基于光合作用的角度探知木本植物對重金屬脅迫的耐受性，總結(jié)發(fā)現(xiàn)了如苦楝、秋華柳、銀芽柳、女貞、桑樹等耐性強的樹種，櫸樹、欒樹、香樟、楊樹、白樺、檫木等耐性較強的樹種。盡管植物光合作用對重金屬脅迫反應(yīng)已有廣泛研究，但仍有一些問題制約人們對重金屬脅迫下光反應(yīng)過程的深刻認識，值得進一步研究：

1）目前多采用葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學曲線研究脅迫環(huán)境下光反應(yīng)過程的變化，如快速熒光動力學曲線OJIP 分析PS Ⅱ反應(yīng)中心及圍繞PS Ⅱ的電子傳遞，慢相熒光動力學曲線來分析PS Ⅱ的量子效率，但是關(guān)于在脅迫環(huán)境下關(guān)鍵制約因素的分子機理仍未有解釋透徹，下一步需要在過剩光能耗散、電子傳遞分子機理上重點突破，從基因組水平確定受損的關(guān)鍵基因或位點。同時從光合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能入手，解析脅迫環(huán)境下植物蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化和功能適應(yīng)性。

2）采用建模模擬驗證脅迫環(huán)境下植物光合作用過程已受到廣泛關(guān)注，有學者強調(diào)正確、簡化且完整的光合作用動態(tài)模型非常適合獲取光合生物如何應(yīng)對可變環(huán)境條件的信息[106]。因此，采用建模來模擬光合機構(gòu)的運轉(zhuǎn)機制及各種復(fù)雜過程，探究所研究植物在重金屬脅迫下的耐性機制，也是未來研究的重點。