铝是地壳中含量最丰富的金属元素，约占8.3%，仅次于氧和硅。自然界中的含铝矿物约250种，其中最为常见的是铝硅酸盐及其风化产物──黏土。土壤酸度是由活性酸即土壤溶液中氢离子浓度直接反映的，当土壤吸收性复合体接受了一定数量交换性阳离子后，潜性酸在土壤溶液中显示出来，是可逆的过程^[1]。但由于近几十年来过量施用生理酸性的化学肥料^[2]、超标排放酸性有害气体^[3]、连续种植豆科植物^[4]等人类活动，土壤中碱性离子淋失，游离的铝、铬、锰等重金属离子溶入土壤溶液中，致使土壤酸度增加，土壤微生物活性下降，土壤养分存在形式变化，可利用性大幅下降^[5]。土壤中有大量含铝的氢氧化物，因土壤酸碱度降低而使得含铝的原生矿物(岩石经风化作用被破碎形成的碎屑)和次生矿物(岩石风化和成土过程新生成的矿物)加速释放大量铝离子，变成植物可吸收形态的铝化合物。植物长期和过量的吸收活性铝，根系吸收养分和水分会受到抑制，甚至死亡^[6]，随着食物链的富集作用，将危害动物和人体的健康^[7]。铝含量超过阈值会对人体造成不可逆的伤害，铝元素能损害人的脑细胞^[8]，世界卫生组织国际癌症研究机构于2017年10月27日公布的致癌物清单中包括铝产品。我们综述了近年来国内外有关铝毒害及草本植物耐铝机制问题的研究进展，以期为各类草本植物耐铝机制的深入研究提供参考。

1.   土壤中铝的化学形态

1.1   水溶性铝是酸性土壤上植物生长的最主要限制因子

据调查显示：世界人均耕地面积约2 254 m²，而中国人均耕地面积不到世界人均水平的一半，仅约1 014 m^2[9]，且因建设占用、自然灾害和生态退耕等原因，世界总耕地面积逐年减少^[10]。土壤固相物质中除有机质和生物体以外的所有无机质部分为土壤矿物，如石英、长石、云母、角闪石和辉石等原生矿物以及高岭石、蒙脱石、水云母、含水氧化铁和含水氧化铝等次生矿物，占土壤固相物质的绝大多数，一般约占干土重的95%以上，是土壤最基本的物质成分^[11]，其中铝是土壤中最丰富的无机矿物之一，占5%~15%。据估计，世界上大约50%的可耕地是酸性土壤，早在1918年，铝毒性就被认为是酸性土壤中大麦和黑麦根系生长受到抑制的原因^[12]；近年来大量研究表明：水溶性铝是酸性土壤上植物生长的最主要限制因子^[13]。

1.2   铝的存在形式与土壤pH密切相关

在pH>6的土壤中，铝以化合态存在，主要为难溶性硅酸铝或氧化铝，由于酸雨侵蚀及过渡开垦等原因，土壤pH下降，铝溶解成对植物有毒害作用的形式。可溶性铝可分为游离或单核形式的Al³⁺、多核铝和低分子量复合铝^[14]。pH>7时，铝主要以Al (OH)₄⁻形式存在于土壤中；中性条件下，形成不溶的Al (OH)₃；pH在5~7之间，Al (H₂O)₆³⁺转变为Al (OH)²⁺和Al (OH)₂⁺；在pH 5以下的酸性土壤中，以Al (H₂O)₆³⁺为主，也就是Al³⁺，因其带有3个正电荷，离子半径仅为0.051 nm，对邻近的原子具有强极化效应^[15]，早期曾被认为是对植物毒性最大的离子态^[16]。之后有研究者发现Al (OH)₂⁺对部分双子叶草本植物的毒性更强^[17-18]。铝的存在形式与土壤酸碱度密切相关，同时，铝的毒性与化学形态也显著相关，复杂化学形态导致铝毒的相关研究变得复杂。尽管植物物种之间在铝毒性和耐受性方面存在基因型差异，酸性土壤中耐铝毒植物的生长仍受到不利影响，如FOX^[19]研究认为穆尔黑土壤酸碱度低于5.0时，铝饱和度较低，玉米产量下降；而PAULETTI等^[20]研究表明在巴西南部红壤土上，玉米的生长临界pH为4.4。因此，酸性土壤对植物生长的不利影响与溶解铝离子的毒性密切相关。

2.   铝对植物的毒害

2.1   吸收是活性铝进入植物体的第一步

植物通过不同类型的蛋白质复合体，利用太阳能和大气及土壤中的无机元素合成自己的食物。营养物质从介质进入植物体内的养分吸收过程中，根系是占主导地位的器官，主要吸收来源于土壤的无机营养元素，特别是大量和中微量养分，这些元素通常以离子形式存在，如NO₃⁻、H₂PO₄⁻、SO₄⁻、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺等；其次是地上部，以叶为主，主要从水和大气中的CO₂和O₂获得碳、氢和氧。影响养分吸收的外界因素很多，包括养分浓度、温度、光照、水分状况、通气状况、土壤pH、土壤Eh和离子间的相互作用等^[21]。吸收是养分进入植物体内的第一步，是保证后续步骤的前提，对植物的生长发育具有十分重要的意义，但土壤中某些离子长期、过量吸收，如铝、锰、铬等离子对于植物后续的化能作用有害，甚至致死。

2.2   运输是活性铝进入植物体的第二步

植物根系所吸收的矿质养分，一部分经同化作用在植物根部细胞内被分配利用，另一部分经表皮与维管束之间的薄壁组织进入输导系统向地上部输送，供地上部生长发育需要。与此同时，地上部绿色组织合成的光合产物和吸收的部分矿质养分，也可运输到根部。由此构成植物体内的物质循环系统，调节着养分在体内的分配。有害元素随着植物对不可代替的必需微量元素的运输，进入植物体内，对植物的生理生化过程造成不可逆的伤害。生物膜离子通道是各种无机离子跨膜被动运输的通路，其通透性与多种生命活动过程密切相关。根据门控机制的不同，将离子通道分为三大类：电压敏感性离子通道、化学门控性离子通道和机械敏感性离子通道^[22]。其中，Ca²⁺通道广泛存在于各种生物组织的细胞膜中，只要门控机制工作，溶质可以很快速的通过。大量研究表明：Al³⁺可以通过Ca²⁺通道进入根细胞内^[23-25]。

2.3   富集是植物受铝毒害的第三步

铝并不是植物生长发育的必需元素，当铝离子被动进入植物营养器官后，会积累在细胞壁或细胞器中并影响植物的营养生长和生殖生长。重金属胁迫造成根系表观中毒时间较早，表现为根冠膨大、腐烂；随着重金属离子在草坪植物体内富集，代谢酶活性受到抑制，使活性氧类物质超量产生，无法及时分解，叶绿素分子被攻击，结构稳定性下降，致使地上部分生长停滞，后期引起叶片失绿、枯萎死亡^[26]。茶树能够适应酸性土壤并且在铝富集的情况下也可正常生长，但当铝浓度过高，茶树体内积累的铝含量过多，则无法再吸收铝离子^[25]。高浓度的铝富集，还会抑制垂穗披碱草对磷的吸收与利用^[27]。ZHOU等^[28]研究发现：铝胁迫后的苜蓿，其3 926个基因被鉴定为在pH 4.5处理下对Al³⁺离子显著上调或下调，其中66.33%在根中，表明铝富集主要涉及植物激素调节、活性氧和转运蛋白的正常生理活动。

3.   草本植物耐铝性研究进展

3.1   Al³⁺限制植物正常生理过程的进行

KANG等^[29]研究表明：在150 µmol/L 铝浓度和pH 3.5的条件下，两种耐酸性土壤水稻品种根伸长受到抑制，开花时间延迟了9~27 d，干物质质量和籽粒产量也显著降低，其中根部铝含量最高，其次为叶部；TIRITAN等^[30]研究发现：巴西东南部的圣堡罗砂土在种植玉米6个月后，土壤交换性Ca²⁺和Mg²⁺的水平下降，而Al³⁺含量和土壤酸度增加；VALLE等^[31]在智利巴尔迪维亚进行了两次田间试验，结果均显示小麦中可交换土壤铝水平从0上升至2.7 cmol/kg，铝毒性影响小麦敏铝和耐铝品种新老叶片的叶序，降低了植株的最大分蘖数和最终分蘖数。铝对植物的根、茎、叶、花和果实都有一定的生长抑制作用，但大量研究结果证实，铝在植物根中累积的量最多，对根伸长的抑制作用也最为明显。根是植物的大脑，具备完整的信号传递系统、能够使植物对外界刺激做出反应，选择或寻找对自己最有利的方式与策略，而主要积累在根尖分生组织区细胞壁、胞膜系统和细胞核中心的铝具有极强的根毒性，影响根的生长和吸收功能，进而限制植物正常生理过程的进行，目前土壤铝毒性已经造成严重的粮食安全问题^[32]。

3.2   Al³⁺抑制植物对Ca²⁺以及Mg²⁺的吸收

植物内部的化学成分不同于周围环境，通常情况下，尽管外部环境变化很大，植物细胞也有能力维持稳定的内部环境。由于细胞膜的特性，植物体内比外界营养元素和其他分子的浓度要高得多，植物的根仍然能够克服物理力(如扩散)，以保持较高的溶质浓度，并吸收营养元素，这需要植物细胞大量的能量投资。除H⁺-ATPase外，在植物细胞膜中的Ca²⁺-ATPase参与将细胞质中的Ca²⁺泵入细胞室或质外体，该泵参与细胞质Ca²⁺水平的控制，进而调节涉及钙结合蛋白、钙调蛋白的信号转导过程^[33]。植物的光合作用需要叶绿素的参与，而在植物合成叶绿素的过程中，Mg²⁺是最主要成分，Mg²⁺同时是植物体内二磷酸核酮糖羧化酶、葡萄糖激酶、果糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶和DNA聚合酶等的活化剂，Mg²⁺还与多种代谢活动有关。除此之外，Ca²⁺和Mg²⁺在细胞壁中作用于同一结合位点^[34]，而土壤中植物耐受范围外过量的Al³⁺能够抑制植物对Ca²⁺以及Mg²⁺的吸收，由此毒害植物。

3.3   Al³⁺对草本植物根系及Ca²⁺、Mg²⁺吸收的抑制

早在1988年，BALIGAR等^[35]发现铝减少了豆科牧草许多必需营养素的摄入，在3种供试牧草(紫花苜蓿、百脉根和红三叶)中，苜蓿对铝元素最为敏感，对P、Mg、Cu、Mn和Zn等的吸收最少，表明高浓度的铝胁迫很大程度上抑制了植物根系对其他营养元素的吸收。经深入研究发现：铝元素主要分布在供试植株的根冠、表皮和中柱，铝对紫花苜蓿根伸长的抑制作用与其在根尖分生组织区域的质外体和膜系统中的积累有关^[36]。不同基因型圆叶决明的耐铝性差异显著，不同决明品系的铝毒临界值差异较大，铝毒会影响主根伸长和地上部生长，但适量铝可使少量决明品系根的生长发育更好^[37-38]。暖季型品种有极强的耐酸性，狗牙根的临界存活铝浓度相对较高，并且可以通过根系增加对N、K、Ca的吸收转运而促进铝元素的外排，同时根系会分泌有机酸螯合铝离子^[39]。冷季型品种鸡脚草和多花黑麦草在浓度增加的铝胁迫下，抑制作用逐渐明显，但在种植耐铝性较强的豆科牧草后，交换性Ca²⁺、Mg²⁺增加，而A1³⁺则减少，由此可改善铝毒对草种根系吸收Ca²⁺、Mg²⁺的抑制状况^[40-41]。

4.   草本植物耐铝机制

植物经常暴露在自然界的各种压力下，例如太阳紫外线辐射、土壤盐分、干旱和干燥、复水、低温和高温以及其他大量空气和土壤携带的化学物质、工业废物、金属和非金属^[42]。当植物的生长和发育受到不可预测的非生物因素的严重影响时，为了在环境的波动变化中不被伤害致死，植物必须发展强大的适应机制^[43]。因此，植物可能会在时间或空间上设置某种障碍从而完全或部分避开、承受全部或部分不良环境胁迫的作用，但没有或只引起相对较小的伤害，相应的，植物以质外体排斥或共质体耐受两类机制解铝毒^[44]。

4.1   以质外体排斥的解铝机制

质外体是指位于植物细胞原生质体外围，由细胞壁、细胞间隙和导管构成的连续的传输系统^[45]。作为水和溶质在植物体内运输的通道，植物通过其降低根际A1³⁺活性的解铝机制包括根系分泌有机酸、磷酸盐以及酚类化合物、维持根际周围高pH、细胞壁对A1³⁺的固定、质膜主动输出A1³⁺等方式^[46]。

4.1.1   根系分泌有机酸、磷酸盐以及酚类化合物

目前，柠檬酸、草酸、苹果酸、琥珀酸和醋酸等在植物根部的分泌量与减轻铝毒害密切相关^[47]。早在上世纪末，多位学者在多个小麦品种的根际土壤中发现苹果酸并证明该有机酸的分泌有利于提高小麦的非生物抗性^[48-50]；后期，各研究团队相继在耐酸铝植物中发现MATE (multidrug and toxic compound extrusion)蛋白家族^[51-53]，该基因编码铝诱导激活植物有机酸释放的转运蛋白。文石林^[40]也曾于狗尾草铝胁迫下的根际分泌物中发现柠檬酸含量上升，认为狗尾草表现出较强耐铝特性与之密切相关。部分饲用玉米根系分泌的磷酸盐即可结合H⁺，还可与Al³⁺、Al(OH)²⁺和Al(OH)₂⁺螯合，在降低植物根际pH的同时部分避开铝胁迫^[54-55]。但有机酸以及无机磷对铝的螯合程度在部分植物中不如酚类物质^[56]，如KIDD等^[57]在对3种玉米的铝抗性和硅预处理条件下，发现类黄酮类酚类化合物在硅诱导的铝毒性改善机制中起着重要作用。

4.1.2   维持根际周围高pH

在小麦和模式植物拟南芥的相关研究中，得出根际酸碱度对铝耐性有积极影响，铝毒打破植物根系离子吸收平衡，导致土壤pH上升，而植物可提高自身根际pH以抵抗铝毒伤害^[58-59]，但就其具体机制而言，究竟是铝诱导Ca²⁺外流还是H⁺内流，学术界仍存在争议。HORST^[60]曾提到燕麦根系由细胞壁及质膜所携带负电荷决定的电势梯度，可用于解释H⁺和其他阳离子内流而改善的A1毒性。

4.1.3   细胞壁对A1³⁺的固定

植物细胞与动物细胞的差异就是细胞壁，植物细胞壁上具有很多带负电的基团，在根系吸收Al³⁺的同时将其络合，以避免铝离子进入植物细胞内与质膜结合^[60]。在吴坤^[61]的研究中，水稻幼苗根尖细胞壁多糖组分(果胶、半纤维素)对铝的吸附，使得铝离子被吸附在细胞壁上，从而减少了根系内部细胞对铝离子的吸收。王敏^[25]研究表明：随着铝浓度的增加，茶树细胞壁中半纤维素固定大部分铝以减少细胞对铝的吸收，因此，认为细胞壁固定铝是最重要的重金属外部防御机制。小黑麦在50 μmol/L铝浓度下暴露2 h，其半纤维素组分变化明显，且在用柠檬酸盐处理30 min后细胞壁结合的铝显著减少，表明铝可在质膜受损前被固定在细胞壁^[62]。

4.1.4   质膜主动输出A1³⁺

铝胁迫促进小麦根与叶中活性氧积累，导致小麦质膜透性发生不同程度的损伤^[63]。同时，有研究表明：质膜的结构和功能会随着脂膜的过氧化而改变，从而减少对铝的吸收^[64]。潘伟槐等^[65]研究表明：铝毒对耐铝品种初生根质膜透性的抑制作用明显比铝敏感品种小，由此推断出，质膜主动输出铝离子可以有效抵御铝对植物的毒害。

4.2   以共质体耐受的解铝机制

共质体包括细胞质和胞间连丝，是指植物原生质体间通过胞间连丝连接而成的与外部介质相通的连续体^[45]。植物通过相互联系的原生质承受全部或部分A1³⁺毒害的解铝机制包括胞质有机配体对铝的螯合、液泡的区域化和抗铝酶的分泌等方式^[46]。

4.2.1   有机配体对铝的螯合

以绣球花、决明和茶树为代表的植物对铝胁迫的反应明显滞后，并且能够富集大量铝而不表现毒害症状，绣球花的蓝色萼片由胞内花青素的铝络合物形成引起，使铝离子以花青素-A1³⁺的形式存在而耐受铝胁迫^[66]。目前饲用草本植物上未见相关报道。

4.2.2   液泡的区域化

耐铝型荞麦胞内的绝大部分A1³⁺以摩尔比为1∶3的铝-草酸盐络合物形式存在于液泡中^[67]。强旱生植物霸王具有极强的盐离子区域化能力，王燕雯^[68]将携带霸王离子区域化基因ZxNHX和ZxVP1-1的双价载体转入百脉根，使其在胁迫条件下以络合于液泡内的方式降低叶片渗透势，维持细胞膨压。

4.2.3   抗铝酶的分泌

高浓度铝胁迫下，扁穗牛鞭草的3种酶(SOD、POD和CAT)活性持续增强，以减少来自活性氧和自由基的伤害^[41]。在苜蓿^[69]、山扁豆^[70]和圭亚那拉柱花草^[71]等共质体内检测出由铝诱导的氧化酶，通过将A1³⁺还原的方式从逆境蛋白表达角度耐铝。不同的植物应对非生物胁迫有多种不同的方式，不同观点间也存在争议，有些植物拥有两种及以上共同作用的耐铝机制^[72]，具体如何相互作用需要进一步探究。

5.   研究意义与展望

目前，在世界范围内，酸性土壤(pH<6.5)中铝含量的上升已经造成生态安全问题，并且酸性土壤的面积仍在逐年递增。上世纪中叶，国外研究者就意识到铝对植物的毒害作用并进行了深入的研究。在修复过酸土壤时，通过在表面施用石灰而不破坏土壤来建立作物—牲畜一体化系统(CLIS)是有意义的，然而，石灰的施用只能有限提高作物产量，这种策略被认为仅对根系发育没有物理限制的土壤有效^[30]，而且大面积施用石灰成本极高。封克等^[73]认为施用石灰会导致硝酸还原酶活性升高，从而明显增加土壤N₂O的输出，破坏臭氧层，对环境造成不可逆的损害。虽然有部分学者采用环境友好型改良剂来改良酸性土壤^[74-76]，但收效甚微。因此，通过育种工程来选育抗铝毒能力强的草本植物品种以适应威胁草地农业系统的酸性土壤，是最直接、最长远的方式。可从如下4个方面着手深入研究。

5.1   不同草本植物抗铝、耐铝机制截然不同

就复杂多变的自然环境而言，不同地区的不同植物抗逆机制是截然不同的，郑诚^[77]研究表明：铝诱导的草酸分泌与细胞质膜质子H⁺-ATPase的活性不相关，这与早年公认的有机酸耐铝机制部分相悖。学术界对耐铝植物根系阴阳离子的交换方式和速率也持有不同看法，不可否认的是，离子间存在着相互作用，需要明确究竟是何种阳离子内流造成电荷平衡阻止了质膜的去极化，还是何种阴离子外流结合铝离子生成化合态铝且是否稳定。而且目前铝对草本植物毒害最大的离子形态是Al³⁺或Al(OH)₂⁺还不确定。

5.2   分子层面研究在牧草中应用较少

在分子水平上，迄今为止，在富集铝的植物、动物或微生物中还没有发现铝转运蛋白^[78]，多重示踪技术可示踪铝在进入植物体后如何影响其他元素的吸收^[79]，但无法示踪其具体如何运输和作用。而且与植物耐酸铝酶相关的蛋白家族也未完善，如基于苹果酸分泌的铝耐受ALMT (aluminum-activated malate transporters)蛋白仅在部分模式植物(如拟南芥等)中发现，牧草中相对较少，作用机理也尚在研究中。

5.3   铝在植物根尖细胞壁的作用位点尚不清楚

铝对通过浅须侧根加筋的草本植物代谢过程的影响可以在应激综合征发作后的几分钟内观察到，学术上公认铝对植物最初的伤害便是根尖，但具体的作用位点还不清楚，细胞壁对土壤中铝离子的拦截成为研究重点，经果胶甲基酯酶[EC3.1.1.11, pectin methylesterase (PME)]去酯化的凝胶化果胶被认为是吸附Al³⁺的主要组分^[77]，其主要成分为中性聚糖的半纤维素与果胶存在共价键^[80]，可能在过往的研究中对半纤维素铝结合方面关注度不够。

5.4   缺乏大田试验和生产实践

即使在相近的酸碱度下，不同类型的土壤铝饱和度也不一致，牧草品系间基因型的差异导致同种但不同品种的供试植物耐铝性差异也较大，试验条件(如酸碱度和共存离子)应尽量和自然条件下一致才具有参考价值，且试验结果还需在大田试验和生产实践中进一步进行验证。