矿物的开采及冶炼、农田污泥应用、污水灌溉、大气沉降及其他一些人类活动造成的重金属污染土壤现象日益受到广泛关注(韦朝阳等，2001)。污染土壤的重金属主要有Hg，Cu，Zn，Ni，Cd，Pb，Cr和As等。重金属在土壤中积累到一定程度，不仅导致土壤退化，作物产量和品质下降，而且可富集在植物体内并通过食物链进入人体，严重威胁人类健康，因此对重金属污染土壤的研究和防治刻不容缓。

采用物理、化学和生物方法修复重金属污染土壤，不仅耗资巨大，并会破坏土壤结构、降低土壤肥力和生物活性(Demont et al., 2008)。植物修复重金属污染土壤技术具有成本低、维持土壤生物活性和土壤物理性质、适合大面积治理和不易造成二次污染等优点，已成为国际学术界研究的热点和前沿领域。目前，植物修复技术研究主要聚焦在重金属超富集植物。然而，超富集植物多存在生物量低、生长缓慢、根系浅、无经济价值、修复周期长及不适合多种重金属治理等不足(Laureysens et al., 2004; Bissonnette et al., 2010)。生长迅速的木本植物如杨树(Populus)、柳树(Salix)等，虽富集能力不如超富集植物，但具有生长迅速、根系深、生物量大、蒸腾速率高等特点(Tlustoš et al., 2006)，因此也被用来修复重金属污染的土壤。最近，国内外开展了大量杨树修复重金属污染土壤的研究，研究材料、方法及重金属浓度和类型等方面均有所不同(Lonardo et al., 2011; Wang et al., 2010; 万雪琴等，2009; 张东为等，2008; Utmazian et al., 2007; Laureysens et al., 2004; Robinson et al., 2000;Di Baccio et al., 2003; Migeon et al., 2009; Gu et al., 2007; Yadav et al., 2010)，但缺少杨树修复重金属污染土壤的综述性报道。本文总结杨树作为重金属修复材料的优势、筛选富集能力强杨树种/品种/无性系的方法、重金属在杨树体内的富集和分配特性、重金属对杨树的影响及提高杨树修复能力的措施，并提出今后该领域研究方向，以期为杨树修复重金属污染土壤的深入研究提供参考。

1 杨树修复重金属污染土壤的优势

杨树系杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)，为落叶树种。杨树是世界上分布面积最广、适应性最强的树种之一，具易种植、生长速度快、生长耐性强、生物量大等特点(Lonardo et al., 2011)。据国际杨树委员会统计，中国杨树面积达154万hm²，居世界之首。杨树根系发达，对毒性外来物质耐受性强，具富集及转运重金属到地上部分的能力(Paolis et al., 2011)。同时，杨树自然原生和人工培育的品种资源相当丰富，繁殖容易。杨树是经济用材树种和绿化树种，其生物产品不会进入食物链而影响人类健康。杨树可做短轮伐或超短轮伐种植(Laureysens et al.，2004)，也可与浅根系草本植物间作，分别修复不同深度土壤的重金属。此外，杨树基因组已被完全测序，可组织培养繁殖，能方便地应用于基因工程(Confalonieri et al., 2003; Tuskan et al., 2006)。因此在整个北美洲，杨树已被广泛应用于修复重金属、盐、有机溶剂和放射性物质所污染的土地。

2 筛选重金属富集能力强的杨树种/品种/无性系

不同杨树种/品种/无性系对同一种重金属的吸收、富集、转运能力不同甚至差异显著(Laureysens et al.，2004;Unterbrunner et al., 2007; Pietrini et al., 2010)。Zacchini等(2009)报道在10个杨树无性系中，欧洲黑杨(P. nigra)无性系58-861和Poli Cd富集浓度最高，然而Poli转运能力最强，58-861却最弱。因此，在筛选杨树种/品种/无性系作重金属修复材料时，应综合考虑重金属耐性、生物富集和转运能力(Zacchini et al., 2009)。最近，研究者们采用了不同方法(水培培养、组织培养、土壤培养)筛选重金属富集能力强的杨树种/品种/无性系。

鉴于杨树丰富的种、品种和无性系资源，水培培养是一种非常适用的筛选方法。水培培养与田间试验相比，不仅缩短处理时间，节省培养空间，并且易于控制环境，减少土壤中其他物质和微生物的影响。此外，水培培养筛选和田间培养筛选的一致性较好(Watson et al., 2003; Pulford et al., 2002)。因此，在对大量材料进行初步筛选时，水培培养是最可行的方法。据此，许多研究采用水培方法筛选重金属富集能力强的杨树种/品种/无性系(Lux et al., 2002; Lunáčková et al., 2003;Pilipović et al., 2005;万雪琴等，2009; Gu et al., 2007; Zacchini et al., 2009; Utmazian, et al., 2007;Di Baccio et al., 2003)，但Zacchini等(2009)认为水培筛选的结果仍需田间试验的进一步证实。

Lonardo等(2011)认为组织培养也是可行的筛选方法，其不仅具有水培培养的优点，并可周期性筛选，保证材料的同质性。但是，杨树组织培养程序繁杂，试验条件要求高，不同种/品种/无性系适用的培养基质不同限制了该方法的广泛应用。目前仅有Lux等(2002)和Lonardo等(2011)采用组织培养方法进行了富集能力强杨树种/品种/无性系的筛选。然而，Pulford等(2003)认为，幼苗比成年大树对不良条件更为敏感，可能错误地指示成年大树的重金属富集能力。因此，试管内培养的幼嫩组培苗能否真实反映成年大树对重金属的响应仍需要进一步研究(Lonardo et al., 2011)。

也有许多研究者采用土壤(盆栽和田间)培养方法筛选富集或耐性能力强的杨树种/品种/无性系(Robinson et al., 2000; Wang et al., 2010; Migeon et al.，2009;王新等，2007; Unterbrunner et al., 2007)。土壤培养尤其是田间土壤培养虽具反映真实自然条件，满足杨树多年生长，提供正常生长空间等优点，但仍有筛选耗时长、外界环境影响大、土壤物理特性差异大、重金属浓度和组成成分不同等不足。

3 重金属在杨树体内的富集和分配特性

杨树根系深，利于重金属的吸收和富集。在蒸腾流的作用下，根吸收的重金属经木质部转运到地上的各个部分。大量研究表明，杨树能够在根、茎、叶中富集大量重金属，尤其是Cd和Zn，Cd在杨树根、叶中的最高浓度分别为9 962和514.08 mg·kg^-1(Zacchini et al., 2009; Gu et al., 2007)，Zn在杨树叶片中的最高浓度约为2 120 mg· kg^-1(Unterbrunner et al., 2007)。Baker等(1983)提出植物叶片或地上部(干质量)Cd含量超过100 μg·g^-1、Zn含量超过10 000 μg·g^-1的植物为超富集植物，杨树是Cd的超富集植物，是Zn的有效富集植物。但是，超富集植物尚须具备地上部的重金属浓度高于根部和能耐受高浓度重金属这2个条件(常青山等，2006)。因此，杨树只能算是有效的Cd和Zn富集植物。

重金属主要富集在根、茎、树皮还是树叶不仅对生物产量和重金属污染土壤修复效果非常重要，并且对富含重金属植物材料收获后最佳处理技术的选择也同样重要(Unterbrunner et al., 2007)。大多数研究认为重金属在杨树各部位的富集量表现为根部＞地上部分(大多数为茎＞叶，少数是叶＞茎)(Lux et al., 2002; Lunáčková et al., 2003;Pilipović et al., 2005;万雪琴等，2009; Gu et al., 2007; Zacchini et al., 2009)。但Lonardo等(2011)研究表明，3个银白杨(P. alba)无性系的无根腋芽组培苗对Cu，Cd和Zn的富集量均表现为嫩枝＞根，可能是接种在培养基上的嫩枝于生根前就吸收贮存了部分重金属。余国营等(1996)的研究也发现在杨树落叶前后重金属As，Cu，Cd，Zn和Pb在杨树体内的分配表现为叶＞根(或根皮)。可见，分析不同生长发育时期、不同重金属在杨树体内的分配规律，有利于掌握合适的收获期，最大限度地清除土壤中的重金属。

4 重金属对杨树的影响

杨树对重金属胁迫比较敏感，呈现出不同的症状，其中最普遍、明显可见的症状是生长受限。Zacchini等(2009)报道经50 μmol·L^-1 Cd处理的10个杨树无性系中，8个无性系每株植物的平均根长显著减少，5个无性系每株植物的平均根数减少，6个无性系总根长降低，所有无性系总叶面积均显著减少; Wang等(2010)报道在Cu(1.5 mg·kg^-1)，Cd(100 mg·kg^-1)和Zn(200 mg·kg^-1)混合污染的土壤中加拿大杨(P.×canadensis)株高、茎粗等明显受限，总生物量与对照相比减少26%，差异显著(P≤0.01);Di Baccio等(2003)研究发现低浓度Zn(1 μmol·L^-1)对欧美黑杨(P. euramericana)无性系(I-214) 各项指标没有影响，而高浓度Zn(100和1 000 μM)显著减少了叶生物量和总生物量。

此外，重金属胁迫干扰杨树生理。Pietrini等(2010)报道50 μM Cd处理的杨树无性系与对照相比，净光合速率、蒸腾速率和色素含量均不同程度地降低; 万雪琴等(2009)以3个欧美黑杨(P.euramericana)杂交无性系为材料，研究不同浓度Cd(25，50和100 μM)处理对光合作用和荧光参数的影响时发现，处理植株叶片总叶绿素含量明显低于对照，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量与培养液中的Cd浓度显著负相关，最大净光合速率、光饱和点、表观量子效率和呼吸速率也与Cd浓度显著负相关。Wang等(2011)在研究美洲黑杨LH05-17(P. deltoides LH05-17) 接种放射形土壤杆菌D14(Agrobacterium radiobacter sp. D14) 修复高浓度As(150和300 mg·kg^-1) 污染土壤时发现，随着处理浓度增加，LH05-17根、叶的可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量下降，过氧化物酶(POD)活性上升，超氧物歧化酶(SOD)活性先升后降。

高浓度重金属胁迫也会诱导杨树蛋白表达上调或下调。Durand等(2010)研究Cd胁迫下银灰杨(P. canescens)无性系717-1B4叶片和形成层的蛋白质组变化时发现，Cd胁迫不仅导致了杨树生长受阻、光合作用下降，并且分别诱导了叶片120个蛋白和形成层153个蛋白的变化，主要是参与光合合成、蛋白质折叠、氧化还原及能量、蛋白、分解、GST(谷胱甘肽S-转移酶)、碳水化合物代谢和核苷酸等代谢活动的蛋白出现了上调或下调。

5 提高杨树对重金属污染土壤修复能力的措施 5.1 转基因技术的应用

Andreas等(2006)认为以下2种策略可提高植物对重金属污染土壤的修复能力:种植可收获地上部分超富集重金属的植物; 种植富集重金属能力一般，但收获部位生物产量高的植物。转基因技术的应用，可使杨树成为可收获地上部分生物产量高且高效富集重金属的植物。

Cobbett等(2002)认为通过基因工程操纵植物螯合肽(PC)和(或)谷胱甘肽(GSH)生物合成是提高植物修复的起点。杨树是林木遗传研究的模式树种，超量表达γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-ECS，γ-glutamyl systeine synthetase)的转基因杨树与野生杨树相比，含有更高水平的GSH和γ-EC(GSH的合成前体)(Noctor et al., 1996)，促进了PC的合成和Cd，Zn的富集(Rennenberg et al., 2000; Koprivova et al., 2002; Bittsanszky et al., 2005)。同样，基因操作金属转运子可改变植物的重金属耐性和富集能力(Pilon-Smits et al., 2002; Krämer，2005)。金属转运子在植物必需和毒性金属吸收、分配的许多方面起着重要作用(Page et al., 2009; Mei et al., 2009)。Migeon等(2010)在杨树基因组中鉴定了72个金属转运子，其中3种功能转运子的超量表达可提高杨树的修复效率:一是从土壤转运重金属到根表皮和皮层细胞的转运子; 二是将重金属从根部细胞向地上部分转运的转运子; 三是将运输到地上部分的重金属转运到液泡的转运子。把毒性重金属转化为无毒重金属的酶蛋白或基因的超量表达也可改变植物的重金属耐性和修复能力。Che等(2003)报道超量表达Hg离子还原酶基因(merA)的转基因美洲黑杨(P. deltoides)对致死野生杨树的Hg浓度有一定的抗性，并且通过将Hg(Ⅱ)还原为Hg(0) 释放了高浓度可挥发的Hg(0)。生物降解酶、解毒酶、金属硫蛋白及提高植物根际活性和重金属细胞储存的酶的表达均可能通过改变杨树的分子机制提高杨树的修复能力(Yadav et al., 2010)。因此，基因操作的方法可提高杨树的重金属耐性及富集和转运能力，从而提高杨树修复重金属污染土壤的效率。

5.2 联合微生物修复

许多研究表明，在调控植物萃取重金属的生物因素中，微生物尤其是真菌的作用非常重要(Sell et al.，2005)。杨树易被菌根(真)菌侵染，并通过菌根(真)菌获取更多的水分、磷素及其他物质(Lee et al.，1985)。Sell等(2005)报道在土壤Cd浓度为1.91 mg·kg^-1时，卷边网褶菌(Paxillus involutus)能显著提高加拿大杨根、茎，尤其是叶片的Cd浓度，但大毒滑锈伞(Hebeloma crustuliniforme)对其影响并不明显。Lingua等(2008)研究杨树接种真菌修复高浓度Zn污染土壤时发现:摩西球囊霉(Glomusmosseae)降低了白杨(P. alba)无性系(Villafranca)和欧洲黑杨无性系(Jean Pourtet)的Zn富集浓度; 根内球囊霉(Glomus intraradice)降低了Villafranca的Zn富集浓度，但对Jean Pourtet的Zn富集浓度没有影响。当土壤中重金属浓度低时，真菌能促进植物吸收重金属(Colpaert et al., 1987; Godbold et al., 1998)，但当重金属浓度高时，真菌主要起过滤作用提高植物的重金属耐性(Jentschke et al., 2000; Jones et al., 1988; Leyval et al., 1997)。然而，Bissonnette等(2010)发现在轻微重金属污染土壤中，根内球囊霉并没有显著提高杨树的重金属富集浓度。

土壤细菌的活动能够影响重金属的移动性和生物可利用性(Singh et al., 2010)，从而影响植物的重金属富集能力。Dell’Amico等(2008)报道生长在Cd污染介质中的油菜(Brassica napus)在接种4种Cd抗性根际细菌后，增加了生物量和Cd的富集量。Sheng等(2008)报道从油菜根系中分离出来的重金属抗性内生菌促进了油菜的生长和Pb的富集。Wang等(2011)的实验室研究结果表明，从As矿区分离的抗As性放射形土壤杆菌D14促进了美洲黑杨LH05-17(P. deltoides LH05-17) 的生长和As的富集。

5.3 短轮伐或超短轮伐农艺管理措施和脱落叶片的回收、处理

所谓短轮伐就是将杨树密植，集约经营，在2 ~15年内进行砍伐，获得最高生物量和重金属富集量。超短轮伐是在1~2年内即进行砍伐。杨树地上部收获后，在没有干扰的情况下可再生(Migeon et al.，2010)，为此可采用短轮伐或超短轮伐的农艺管理措施提高杨树的修复能力。

杨树是落叶树种，脱落到地上的叶片腐烂后可再次污染土壤，因此，在秋季落叶期应及时回收叶片，避免或减少脱落叶片形成的循环污染。另外，脱落叶片应该单独处理或将叶片焚烧并将灰烬保存在特殊的垃圾容器中。

6 研究展望

为了提高杨树的重金属耐性及富集和转运能力，尚需在以下几方面展开更广泛、更深入的研究:1) 扩大杨树种/品种/无性系对重金属污染修复的筛选范围，选择或开发重金属富集、转运能力强的杨树种/品种/无性系; 2) 研究重金属胁迫下杨树响应的生理和分子机制，探讨杨树重金属解毒的关键基因，通过基因表达的调控来提高杨树的重金属耐性; 3) 深入开展重金属转运子等目的基因的克隆转化，超量表达相关基因，提高重金属向地上部分的转运能力及在茎部的储存，减少叶片脱落造成的循环污染。