植物抵抗酸性土壤鋁毒害的分子基礎
世界上大約50％的可耕土壤是酸性的，酸性土壤的鋁（Al）毒害是重要的作物生產限制因素。在pH值低於5時，三價Al離子從粘土礦物中溶解，對植物根部具有相當大的毒性。Al能快速抑制根系生長，抑制根系功能，進而導致乾旱和礦質元素缺乏，導致作物產量下降。Al毒性涉及其與根細胞壁、質膜和相互作用，近年來在作物鋁抗性的分子、遺傳和生理研究方面取得了相當大的進展。
一，植物鋁抗性和耐受性策略
已經證實的兩種主要類型的Al抗性機制：
1，Al排除機制，其目的在於防止Al進入根尖（包括共質體和質外體）；
2，Al耐受機制，使Al進入植物並且被解毒、隔離。
接下來將重點介紹已經鑒定或提出的鋁抗性機制，概述Al從根際移動到根部，並在某些情況下進入枝條時遇到的不同機制。
1. 鋁外排機制
外排機制涉及從根尖釋放有機化合物，有機酸是Al外排機制中釋放的主要化合物。一些實驗證據表明，酚類化合物的釋放也可能在這種機制中發揮作用。
1.1 有機酸的釋放作用於鋁外排機制
到目前為止，研究最透徹的Al外排機制，是Al介導的有機酸（OA）陰離子從根部滲入根際，並在根際螯合三價Al離子，形成無法進入根部的無毒化合物。
早在20世紀90年代對菜豆（Phaseolus vulgaris）和小麥（Triticum aestivum）的開創性生理學研究表明，Al毒抗性與Al依賴的有機酸（菜豆根中的檸檬酸和小麥根中的蘋果酸）釋放水平之間存在明顯的相關性。這引發了後續一系列對單子葉植物和雙子葉植物的大量研究，這些研究證明了Al抗性的強弱和Al激活的來自根的蘋果酸、檸檬酸和草酸（少數一些物種中）的滲出之間相關。
採用這種Al抗性機制的植物物種之間的主要差異是（1）釋放OA（蘋果酸，檸檬酸或草酸）的特性，（2）OA釋放量的大小，和（3）鋁誘導OA釋放需要的時間。儘管許多植物物種釋放一種OA，但是也發現一些植物物種，可以釋放兩種或以上OA以響應Al脅迫（例如小麥和擬南芥中的蘋果酸鹽和檸檬酸鹽），這表明存在著多種釋放機制或轉運蛋白。
在20世紀90年代末，關於鋁抗性機制的電生理學研究，用從Al抗性小麥和玉米的根尖分離的原生質體，證明了特定質膜陰離子通道的存在，首次提出了介導OA從根向外轉運的分子機制。隨著第一個Al抗性基因被克隆，在小麥、高粱和大麥中也都克隆出了編碼蘋果酸和檸檬酸轉運蛋白的基因。隨後的研究證實，膜轉運蛋白的兩個家族的成員：Al激活的蘋果酸轉運蛋白（ALMT）家族和OA/H反向轉運蛋白（MATE）家族，負責響應Al毒，將蘋果酸和檸檬酸從植物根細胞釋放進入根際。
1.2 有機酸以外的化合物釋放也能作用於鋁外排機制
根系能釋放出很多類型的有機化合物，其中一些化合物，如酚類，具有螯合根際中的Al離子的能力。酚類化合物是不十分有效的Al螯合劑，但酚醛環的-OH基團中的氧原子賦予其Al離子螯合能力。Kidd等人確定，響應Al處理後，Al抗性基因型玉米的根部滲出酚類化合物兒茶酚、兒茶素和槲皮素，他們推測根系釋放的酚類物質可能與檸檬酸一起在鋁外排抗性中發揮作用。在應對鋁脅迫時，抗鋁玉米品種的根系內含有較高的咖啡酸、兒茶酚和兒茶素水平。表明這些有機物可能也參與鋁毒害的內部耐受。
其他幾項研究也表明了根酚類物質在內部Al耐受中的作用。Tahara等發現，響應Al脅迫後，高抗的樟樹（Cinnamomum camphora）和赤桉樹的根合成月見草素B（一種含有幾個相鄰酚羥基的二聚水解單寧），它們可以作為有效的Al結合配體。根中的月見草B含量較高，且5種樹木的鋁抗性與月見草B含量呈正相關。另一份關於樟樹的報告提出了一種獨特的酚類介導的根Al排除機制。在這項研究中，作者確定了一個特殊的根外細胞層，抗性物種在這裡積累了更高水平的黃酮類原花青素。他們提出，這個與根表皮細胞外層相鄰的細胞層不斷生長並逐漸從根部脫離，從而防止根系中Al積累，對根起到保護作用。鑒於這些研究，酚類化合物在鋁外排和內部解鋁毒機制中的作用可能會引起額外的關注。
2. 鋁耐受機制
我們對植物耐受鋁毒害和解鋁毒機制的大部分認知來源於對抗鋁植物的研究，特別是水稻（Oryza sativa）和Al高積累植物，如蕎麥（Fagopyrum esculentum）和繡球花（Hydrangea macrophylla）。根據水稻的生理學、分子生物學和遺傳學研究，高抗性物種擁有多種抗鋁基因和機制，其中許多涉及根的內部鋁耐受。Al耐受機制要麼是涉及對細胞壁的修飾（大部分的Al結合在細胞壁[85％-99.9％]），以改變細胞壁的性質，要麼是一旦將鋁吸收後，螯合成低毒的複合物儲存在液泡或轉移到地上的鋁不敏感區域。
2.1 細胞壁修飾
對於穿過根際OA屏障的Al離子，根細胞壁構成Al與植物相互作用的下一個位點。初生根細胞壁是一種複雜的異質結構，由嵌入果膠和半纖維素基質中的纖維素微纖絲組成。Al離子可以與壁果膠中的帶負電荷的羧基進行靜電相互作用，並吸附到不帶電荷的半纖維素聚合物上。有學者提出，Al通過與細胞壁相互作用，改變細胞壁性質（降低壁可塑性/彈性），影響重要的細胞壁酶（如使細胞壁擴展蛋白中毒），打破細胞壁可溶性Al的平衡狀態，從而產生毒性。
在細胞壁的複雜調控網路中，細胞壁修飾酶的活性顯著影響細胞壁碳水化合物結構性質的變化。最顯著的是擴展蛋白、β-1,4-葡聚糖內切酶、木葡聚糖轉葡糖基酶/水解酶XTH和果膠甲酯酶。Al與果膠的結合，主要是果膠中負電羧基基團的高親和力引起的，細胞壁的負電荷是由果膠甲基化的程度決定的，果膠甲基化是由果膠甲酯酶的活性引起的。
後續研究證明了果膠甲酯酶在鋁抗性中的作用，表明不同基因型的玉米、蕎麥和水稻對於鋁抗性的差異與根尖細胞壁中果膠甲基化程度的差異顯著相關。在鋁脅迫下，耐鋁品種根中果膠的甲基化水平更高，且具有較低的果膠甲酯酶活性。這導致細胞壁內的凈負電荷水平較低，減少了細胞壁中Al 離子的結合和積累。此外，馬鈴薯（Solanum tuberosum）和水稻根中果膠甲酯酶的過量表達導致根尖細胞壁中Al含量增加，敏感性增強。
對於Al在擬南芥細胞壁的結合，半纖維素與果膠同樣重要，半纖維素也可能在鋁毒抗性中發揮作用。Al脅迫能夠抑制擬南芥細胞壁的木葡聚糖轉葡糖基酶XET，該酶在細胞伸長期間切割並重新結合半纖維素木葡聚糖聚合物。研究表明，XTH31是一個受Al脅迫影響的XET基因， xth31 突變體的Al抗性的增加。作者提出，Al毒性涉及細胞壁中的木葡聚糖代謝，減少細胞壁中裂解的木葡聚糖產生可能會增加Al抗性。
對水稻Al耐受性的研究表明，高水平的Al抗性涉及多種基因，這些基因與不同的Al耐受機制有關。與其他穀物相比，水稻在水中生長，稻田的水每天都在滲漏和補充。雖然MATE檸檬酸轉運蛋白OsFRDL4介導了水稻根系的Al外排機制，由於水稻根際微環境時常變化，根系OA釋放對水稻鋁抗性的作用較小，因此鋁耐受基因和機制對水稻更為重要。通過對Al敏感突變體的圖位克隆，鑒定出參與水稻Al耐受的基因 STAR1和STAR2（Sensitive To Al Rhizotoxicity 1/2 ），這一對基因編碼的ABC轉運蛋白複合物介導了UDP-葡萄糖向細胞壁運輸，可能改變了細胞壁的組成，導致Al結合能力降低，進而耐受鋁毒。
2.2 鋁轉運在鋁耐受機制中的作用
近年來的研究也揭示了細胞膜和液泡膜上的Al轉運蛋白在植物Al耐受機制中的作用。由於人們普遍認為鋁具有很高的植物毒性，對於鋁轉運到植物細胞中的解毒機制似乎很難理解。
鋁能抑制根生長並破壞細胞壁功能相關的酶，然而在水稻中，根系可以耐受細胞壁中高水平的鋁。一種可能的方式就是將鋁從細胞壁吸收到細胞質，將其運輸、螯合併隔離在液泡中。研究發現，質膜轉運蛋白OsNrat1將Al轉運到根的細胞質，然後液泡膜上的ABC轉運蛋白OsALS1協同作用，將其隔離在根細胞的液泡中。
2.3 鋁高積累植物及其耐受機制
一些植物物種，包括繡球花、蕎麥、野牡丹（Melastoma malabathricum）和茶（Camellia sinensis），能夠在枝條中轉移和積累Al，濃度高於1,000mg/kg，甚至超過3,000mg/kg。這些研究揭示了Al高積累植物的幾個耐受特徵，包括1，Al在根莖、葉片中分別以無毒的檸檬酸鹽（繡球花）和草酸鹽（蕎麥）的形式積累；2，在繡球花中，Al在萼片中和3-葡萄糖苷花翠素（delphinidin-3-glucoside）、3-咖啡基奎寧酸（3-caffeolylquinic acid） 形成藍色複合物並積累，使葉片顏色由粉變藍；,3，在蕎麥中，木質部汁液的鋁與檸檬酸而不是草酸絡合，說明當Al載入到木質部時，經歷了草酸鹽與檸檬酸鹽的配體交換，在轉移到葉片時，配體會交換回草酸鹽。目前已經鑒定出兩個參與繡球花Al積累的細胞膜（HmPALT1）和液泡膜（HmVALT）鋁轉運蛋白，這些轉運蛋白是水通道蛋白家族的成員，並且在萼片細胞中高度表達。
3. 跨膜轉運蛋白在解鋁毒中的作用
Al外排機制涉及根將OA釋放到根際，第一個Al抗性基因是從小麥鑒定的蘋果酸轉運蛋白。自這一開創性研究後，不同物種中ALMT和MATE家族的蘋果酸轉運蛋白的檸檬酸轉運蛋白逐漸被鑒定。然而，隨著Al抗性相關基因的擴展和我們對其他Al抗性機制理解的深入，發現其他類型的膜轉運蛋白也在Al抗性中起作用，包括Nramp家族、ABC轉運蛋白家族以及水通道蛋白家族的成員，下面將介紹這些不同轉運蛋白的功能及其在植物鋁抗性中的作用。
3.1 ALMT 蘋果酸轉運蛋白
從Al抗性小麥和玉米根尖分離的原生質體進行電生理學（膜片鉗）研究，提出質膜上存在受Al調控的蘋果酸和檸檬酸外排轉運蛋白。這些陰離子轉運蛋白的性質與根中報道的Al誘導的蘋果酸釋放反應之間的相關性表明這些陰離子通道是Al激活的根OA釋放的基礎。通過克隆這些轉運蛋白驗證了這一點，首先鑒定出TaALMT1，編碼小麥蘋果酸外排通道的基因。
TaALMT1 是第一個鑒定出的Al抗性基因，是小麥抗性基因座（AltBH）上的主效基因。在爪蟾卵母細胞和煙草（Nicotiana tabacum）細胞中表達TaALMT1，證明其編碼轉運蛋白，介導蘋果酸順電化學梯度被動流出。雖然該蛋白在細胞外沒有Al的情況下是有功能的，但其轉運活性是受細胞外的Al作用增強的。TaALMT1在轉基因水稻、小麥和大麥以及煙草懸浮細胞中的表達，增強了Al激活的蘋果酸釋放並增加了Al抗性。TaALMT1在小麥中的功能與異源表達實驗的結果相似，表達TaALMT1的轉基因植物和Al抗性小麥根中Al激活的蘋果酸釋放證實了其作為Al抗性蛋白的作用。
儘管ALMT家族最初是因為Al抗性得以命名，但後來的研究很快就發現，並非所有ALMT家庭成員都參與這一特性。已經在玉米（ZmALMT1 和ZmALMT2）和大麥（HvALMT1）中鑒定出了定位在植物根細胞膜的ALMT轉運蛋白，它們的轉運活性不響應Al，並且ZmALMT1轉運無機陰離子而不是蘋果酸。越來越多的研究表明，ALMTs在植物中的作用不僅僅涉及Al抗性，它們還影響礦物營養、離子穩態、膨壓調節和保衛細胞功能。
ALMT具有高度相似的二級結構，有六個跨膜結構域（TMD）的高度保守N-末端區域，隨後是一個可能含有一個或兩個以上TMD的可變長親水性C末端。由於它們對無機陰離子和蘋果酸（在大多數情況下）具有滲透性，因此ALMT家族成員在運輸過程中具有相似性，包括運輸底物的特性。Al誘導的底物運輸活性增強似乎是根部定位的ALMT作用於抗鋁毒的關鍵。
功能研究表明，ALMT的C末端在Al誘導的底物運輸活性增強中起重要作用，然而關於轉運蛋白的拓撲結構仍然缺乏共識，特別是C末端是在細胞內還是在細胞外。TaALMT1蛋白的結構-功能分析和ALMT家族的系統發育分析表明，較短的N末端結構域也參與Al誘導的底物運輸活性增強，表明ALMT的N末端和C末端共同作用於Al響應。除了細胞外的Al能調節ALMT1的轉運活性外，廣譜蛋白激酶和磷酸酶抑製劑實驗表明，這些轉運蛋白通過可逆蛋白磷酸化進行翻譯後修飾調節其底物轉運活性。電生理學研究表明，蛋白激酶抑製劑對TaALMT介導的底物轉運具有快速和強烈的抑制作用，而蛋白激酶活化劑PMA增強了TaALMT1介導的陰離子釋放。
3.2 MATE 檸檬酸轉運蛋白
質膜定位的MATE轉運蛋白家族成員負責響應於Al脅迫，並將根的檸檬酸分泌到根際作用於抗鋁毒。 MATE最初是通過圖位克隆，在高粱和大麥中鑒定出的抗鋁毒基因座中的主效基因。隨後，在擬南芥（AtMATE1）、玉米（ZmMATE1）、飯豆（VuMATE1）和水稻（OsFRD1）中都發現了MATE的同源基因，它們也作為檸檬酸轉運蛋白參與Al抗性。ALMT和MATE都通過根釋放賦予OA參與抗鋁毒，然而這兩個蛋白在結構和功能上完全不同，這也體現了植物對於解鋁毒這一性狀上的趨同進化。
目前關於ALMT運輸性質的研究比MATE更多更清楚。功能上，通過卵母細胞電生理學和碳14外排研究，發現高粱（SbMATE）以及玉米（ZmMATE1）和飯豆（VuMATE1）中的MATE通過「檸檬酸鹽/H（或Na ）」反向運輸機制介導檸檬酸流出。因此，ALMT蘋果酸轉運蛋白作為陰離子通道起作用，而MATE檸檬酸轉運蛋白是介導與質子流入偶聯的檸檬酸外排。令人費解的是，反向運輸機制通常用於介導底物的主動運出，該過程與被動質子流入偶聯，來促進熱力學上不利於進行的檸檬酸外排，可能這種偶聯對向根際釋放碳的過程賦予了額外的調節。
3.3 C利用效率和根系有機酸釋放
許多植物的鋁抗性機制涉及根系釋放的有機酸螯合鋁離子，其中蘋果酸和檸檬酸是三羧酸循環中的關鍵中間代謝產物。因此，這種Al抗性機制需要消耗含碳化合物作為代價，同時這種抗性機制也會在對Al的響應過程中受到複雜的調控。
實驗證據表明，Al激活的蘋果酸和檸檬酸滲出物定位於根尖，這種空間定位保證了含碳化合物成本的降低，因為鋁毒害主要作用於根尖，只需要保護根尖不受Al毒的損害就不影響根的伸長。
使用激光捕獲顯微切割耦合高靈敏度qRT-PCR測定，顯示Al誘導的SbMATE基因表達特異性定??位於高粱根遠端過渡區（DTZ）的表皮和外皮層細胞層（細胞分裂與細胞伸長之間的根區域），證明這也是最大的Al誘導損傷的位點。
許多物種中，這些轉運蛋白需要通過翻譯後激活，才能釋放OA陰離子。因此，只有在根際有足夠水平的Al離子，才需要根部保護免受毒性作用時，根才能釋放蘋果酸和檸檬酸。因為酸性土壤在pH和鋁飽和度方面通常在空間上非常不均勻，並且酸性土壤pH在相對較小的距離上可以有很大變化。
另外，檸檬酸是一種比蘋果酸強得多的Al離子螯合劑，在抗鋁毒方面比蘋果酸的作用強大約八倍。因此，基於檸檬酸的Al抗性機制可能是更經濟有效的過程。使用過表達AtALMT1和AtMATE的轉基因擬南芥，發現檸檬酸和蘋果酸釋放會對根系生長造成影響。在沒有Al的情況下，這些轉基因擬南芥根的蘋果酸和檸檬酸釋放率是野生型植物的兩倍至十倍，並且與野生型植物相比，根生長被抑制20-30％。這些研究表明，為了限制這種Al抗性機製造成的有機含碳化合物的浪費，植物需要釋放出最少量但足量的OA陰離子來緩解根際的鋁毒。
3.4 Al的Nramp轉運蛋白
通過對水稻C2H2鋅指轉錄因子ART1進行功能分析，鑒定了許多受Al調控的涉及多種抗性機制的Al抗性基因。包括質膜定位的 Nramp家族 Al攝取轉運蛋白OsNrat1，它可以與液泡ABC轉運蛋白OsALS1協同作用，從細胞壁中除去Al並將其置於根細胞液泡中。與高粱、小麥和大麥不同，水稻主要通過耐受根中的鋁來應對鋁毒害。因為多達90％的Al存在於細胞壁中，Nrat1可以通過降低細胞壁鋁的水平，賦予Al耐受性。
Nrat1屬於Nramp家族轉運蛋白，但是與其他Nramps成員沒有太大的功能相似性。 OsNrat1特異性轉運Al離子，但不轉運其他Nramps的底物，如Fe、Mn、Cd 等二價金屬離子。Nrat1的表達受Al誘導快速上調，但不受低pH或其他類似金屬如鎘和鑭影響，其表達定位於除表皮細胞外的所有根細胞的質膜。
水稻Al耐受性的全基因組關聯分析（GWAS）鑒定了一種Nrat1單倍型，這種單倍型對於水稻亞群是獨特的，並解釋了該亞群中40％的耐受性表型變異。 Nrat1編碼區和調控區中的DNA序列變異與Nrat1表達和Nrat1對Al的轉運特性變化相關，使得耐受性Nrat1等位基因比這些敏感等位基因更高表達，轉運更多的Al。令人驚訝的是，轉基因擬南芥中耐受性和敏感性Nrat1等位基因的表達，增加了Al抗性和根對Al攝取，耐受等位基因賦予更強的鋁抗性。水稻Nrat1的另一項遺傳多樣性分析也鑒定了耐受和敏感的等位基因，這些等位基因與表達差異有關，但與底物運輸能力無關。
總之，這些研究表明Nrat1通過在根細胞內轉運和隔離，降低根細胞壁中的Al水平，進而在水稻中起重要的抗鋁毒功能。有趣的是，水稻Nrat1增強了水稻和擬南芥的抗鋁性，水稻的根系鋁外排機製作用並不很明顯，而擬南芥中鋁外排機制卻發揮重要功能。因此，Nrat1及其直系同源基因可能是增強多種植物物種中Al耐受性的有力工具。
3.5 Al的ABC轉運蛋白
從細菌到人類，生物體中最大的基因家族之一就是ABC轉運蛋白家族。ABC轉運蛋白是ATP驅動的泵，含有兩個構成跨膜孔洞的TMD結構域，還有兩個胞質核苷酸結合域（NBDs）。TMD和NBD亞基可以由單個基因（全長ABC）編碼，或者由兩個基因，每個基因編碼一個TMD和一個NBD（半ABC）。在植物中，ABC轉運蛋白參與病原體反應、表面脂質沉積、種子植酸積累和激素轉運等過程。
在水稻中，OsSTAR1和OsSTAR2分別編碼NBD和TMD結構域，OsSTAR1是通過對Al敏感基因座進行圖位克隆鑒定出的。 OsSTAR1/OsSTAR2蛋白複合物定位於根中的內膜囊泡，在卵母細胞中表達時，起到UDP-葡萄糖轉運蛋白的作用。這些含UDP-葡萄糖的囊泡融合到質膜上並將UDP-葡萄糖釋放到根細胞壁中。據推測，轉運的UDP-葡萄糖可用於細胞壁修飾，限制Al積累和降低Al毒性。
在擬南芥中，AtALS3是通過對Al敏感突變體als3 進行圖位克隆鑒定出的，該基因編碼一個質膜定位的ABC轉運蛋白，僅有TMD結構域，缺乏NBD。AtALS3主要在整個植物根的皮層，葉的排水器以及韌皮部中表達。儘管尚未鑒定出AtALS3的轉運底物，但Larsen等人推測性地提出AtALS3是一種Al的轉運蛋白，負責將植物中的Al重新分布在遠離敏感根尖的位置。此外，Huang等人提出，編碼OsSTAR1的ABC轉運蛋白同源物的ATP結合域的AtSTAR1可能是ALS3的功能性配體。Atstar1 突變體對Al敏感，並且表現出早花表型，但AtSTAR1的轉運功能尚未確定。最新研究證明，STAR1和ALS3可以在液泡膜發生蛋白的相互作用，形成複合體，參與低磷響應。
另一種與水稻Al抗性相關的ABC轉運蛋白OsALS1，是一種包含TMD和NBD結構域的半ABC轉運蛋白。OsALS1在根中的表達受到Al誘導快速上調，該轉運蛋白定位於液泡膜，基於水稻OsALS1敲除突變體和酵母中異源表達，證實該基因可能編碼了Al的轉運蛋白，推測OsALS1與質膜Al攝取轉運蛋白OsNrat1串聯起作用，將Al從細胞壁移入細胞，然後將其隔離在根液泡中。
3.6 Al的水通道蛋白
大多數植物物種將遇到的鋁儲存並隔離在根部，一小部分高積累植物物種可以將其在遇到的鋁從地下運輸到地上部分，如繡球花、蕎麥和茶。與其他植物相比，它們可以在枝條中累積超過十倍的鋁，卻不表現出植物毒性。通過功能基因組學方法，在繡球花萼片組織鑒定出兩個水通道蛋白基因，HmVALT和HmPALT1，編碼萼片質膜和液泡鋁攝取轉運蛋白。 HmVALT是液泡膜定位水通道蛋白TIP亞家族的成員，而HmPALT1屬於NIP亞家族。水通道蛋白通常被認為是運輸非離子基質，因此由HmPALT1和HmVALT運輸的鋁的形式有待進一步確認。酵母中的HmPALT表達賦予Al敏感性，Al積累增加，而HmVALT表達賦予Al抗性，Al積累增加。這些結果與分別作為質膜和液泡膜Al轉運蛋白的功能相一致。HmVALT可以將中性Al(OH)3 從pH=7的細胞質轉移到液泡中，儘管Al(OH)3 在pH=7時的溶解度很低。關於HmPALT轉運哪種Al形式仍不清楚，需要更多的研究。
4. 植物如何感受鋁並調控鋁抗性基因
Al抗性涉及Al對基因表達和蛋白質功能的調節。 Al誘導許多與不同機制相關的Al抗性基因的表達，包括水稻Al抗性基因 OsSTAR1/2，OsNrat1，OsFRDL4 和 OsALS1; MATE 基因SbMATE，ZmMATE，VuMATE 和 AtMATE; 和ALMT 基因AtALMT1。 Al也能調節了MATE和ALMT 這些OA轉運蛋白的功能。比如，Al與小麥TaALMT1直接相互作用，影響轉運蛋白的功能。但同樣非常可能的是，Al通過間接作用，例如通過與未知的Al感受器結合，影響基因表達，調節蛋白質功能。
我們現在知道，Al離子通過質膜轉運蛋白進入植物細胞，例如水稻中的Nramp OsNrat1和繡球花中的水通道蛋白HmPALT1，並且可以與細胞內分子相互作用，包括轉錄因子ART1和STOP1。由於Al脅迫引發細胞穩態過程的許多變化，這些變化可能在Al抗性機制的信號傳導或調節中起作用。這可能包括Al誘導的細胞溶質Ca、pH或K 的變化，這反過來可能觸發Al信號通路中的其他下游成分。眾所周知，Al應激導致細胞溶質Ca活性的變化，有人認為鈣信號在鋁信號轉導中發揮作用。但是，Al介導的細胞溶質Ca 改變也可能參與引發Al抗性增加的信號傳導過程。
Al脅迫也會導致植物根中活性氧（ROS）水平的增加。這通常被認為是Al毒綜合征的一部分，但ROS也可能參與植物信號傳導。Sivaguru等人推測，Al誘導的ROS產生可能參與細胞信號傳遞，增強高粱Al抗性。這種誘導是高粱特有的，因為完全誘導高粱Al耐受需要長時間的Al暴露（4-6天）。Magalhaes等表明，這種Al抗性的緩慢誘導是由於Al誘導的SbMATE基因表達的增加，導致檸檬酸分泌速率提高。Sivaguru等人的研究對暴露於鋁處理1-4天的抗鋁/鋁敏感近等基因系高粱的根尖進行顯微鏡成像，觀察Al誘導的ROS產生、細胞損傷、胼胝質產生（鋁毒害的衡量指標）和Al積累，他們發現，由Al脅迫引起的最大細胞損傷和ROS產生特異性地位於根的DTZ中，位於根尖後1-3mm的區域，該區域發生從細胞分裂到細胞延伸的轉變，是Al毒性的主要位點。高靈敏度qRT-PCR、免疫定位、激光捕獲顯微切割等實驗結果顯示，Al誘導的SbMATE基因和蛋白質表達特異性定??位於Al抗性近等基因系中相同DTZ的表皮和外皮層細胞層，Al誘導的SbMATE表達和損傷根的恢復時間精確重合。此外，最高的Al誘導ROS產生位於相同DTZ區域。因此推測，ROS產生可能參與Al信號傳導，高水平ROS觸發下游事件，從而導致SbMATE蛋白丰度增加，保護該區域的根。
4.1 鋁對鋁抗性基因表達的調控
各種植物Al抗性基因的鑒定和隨後的功能表徵，已經提高了我們對這些基因如何響應Al脅迫的理解和認識。Al抗性基因表達的關鍵特徵包括：1，抗性基因在抗性基因型/生態型中表達量更高；2，基因表達定位於根尖，這是Al毒性的部位；3，基因表達通常受Al誘導而增加（如Al誘導的ALMT和MATE基因，包括AtALMT1、BnALMT1、ScALMT、SbMATE、VuMATE1、ZmMATE1、OsFRDL4 和ScFRDL2）； 4，對於Al抗性基因TaALMT1、TaMATE1B 和HvAACT1，在小麥和大麥中有更高的組成型基因表達，這些基因表達模式與蘋果酸和檸檬酸外排的生理特徵密切相關。從時間上看，對於ALMT和MATE基因組成型表達的植物物種，在根部Al處理和蘋果酸/檸檬酸的外排之間沒有明顯滯後，對於那些基因表達受Al誘導的物種，最大根OA釋放時間滯後於Al處理，快的像擬南芥和玉米，要2-6小時，慢的像高粱，需要4-6天。
通過對Al誘導基因表達的生物化學和分子生物學的基礎研究，已經鑒定了Al誘導途徑中涉及的幾種順式元件和反式作用因子。關於Al誘導抗性基因表達的轉錄因子，AtSTOP1和OsART1是C2H2型鋅指轉錄因子家族的兩個相關成員，其正向調節Al誘導的擬南芥中Al抗性基因的表達。通過定位克隆低pH敏感的擬南芥突變體鑒定出AtSTOP1，該突變體對Al毒性也高度敏感，但不響應其他有毒金屬。AtSTOP1參與Al誘導的幾種擬南芥Al抗性基因的表達，包括AtALMT1、AtMATE1和AtALS3。AtSTOP1在擬南芥中組成型表達，有可能AtSTOP1與Al結合，然後Al觸發轉錄激活的啟動。磷酸化可能在Al誘導AtALMT1表達中起作用，Al暴露可導致AtSTOP1磷酸化，其激活AtSTOP1以參與Al抗性基因的轉錄。最近，同一研究小組發現了AtSTOP2，這是AtSTOP1的同源基因，可與AtSTOP1合作調節擬南芥中某些Al抗性基因和低pH抗性基因的表達。
AtWRKY46是WRKY轉錄因子家族的成員，是AtALMT1基因表達的負調節因子，該基因可能與AtSTOP1互作，調節ALMT1的表達。AtWRKY46表達與根中的AtALMT1表達共定位，並且對許多非生物脅迫的表達響應與AtALMT1的響應相反。在響應Al時，根中減少的AtWRKY46表達與Al增加的AtALMT1表達相關，敲除AtWRKY46導致AtALMT1表達增加，蘋果酸根分泌物和擬南芥Al抗性增加。 AtALMT1啟動子序列含有幾個推定的WRKY盒結構域，其中一些顯示被WRKY46蛋白結合。這些研究結果使作者假設WRKY46是ALMT1表達的負調節因子，這可能有助於精確控制蘋果酸的釋放，為植物節約同化的有機碳化合物。
OsART1在序列上與AtSTOP1非常相似，在水稻中具有相似的功能。與AtSTOP1相似，它在水稻根中組成型表達，但與AtSTOP1不同的是，它僅涉及Al抗性而不作用於低pH。通過比較OsART1敲除株系與野生型之間表達譜的差異，確定了響應Al處理後，被OsART1上調的包括OsSTAR1/2在內的31個基因，還鑒定許多新的水稻Al抗性基因/蛋白質，包括OsNrat1，OsMGT1，OsCDT3和OsFRDL4。使用OsART1蛋白和Al響應性抗鋁毒基因OsSTAR1的啟動子，進行基於凝膠遷移率的OsSTAR1啟動子定位，鑒定出了OsART1結合基序為GGN(T/g/a/C)V(C/A/g)S(C/G)，作為由ART1調節的31種基因中的29種啟動子的經典結合基序。
對Al抗性基因啟動子順式元件的其他研究主要集中在TaALMT1在耐受性小麥品系根尖的組成型高表達，其中Al抗性TaALMT1等位基因的啟動子含有重複和三重串聯重複，通過在轉基因水稻愈傷組織中表達「TaALMT1啟動子-GUS」驗證其可作為基因表達的增強子起作用。增強抗性基因表達的序列重複的另一個可能的例子涉及高粱Al抗性基因SbMATE，其中在啟動子中發現了微型反向重複轉座子（MITE）。SbMATE啟動子的序列分析表明，MITE的大小在不同Al抗性的高粱品系中變化很大，並且與基因表達和Al抗性相關，使得具有更高SbMATE表達的品系在啟動子中具有更大的MITE插入。對小，中，大和MITE插入的序列分析表明，MITE具有重複的序列結構，並且MITE大小的增加是由這些重複的數量增加引起的。
涉及大麥Al抗性的MATE檸檬酸轉運蛋白HvAACT1是由於在啟動子中插入轉座子，引起基因表達和轉運蛋白功能改變的另一個例子。 Fujii 等發現，HvAACT1的一個主要功能是將檸檬酸釋放到木質部，在那裡它螯合鐵以便轉移到枝條。在HvAACT1啟動子中鑒定出第二個HvAACT1等位基因，其具有1-kb轉座子，能增加基因表達並改變基因的表達模式，使其表達於根尖表面的細胞，在那裡使檸檬酸外排賦予Al抗性。 Tovkach等在小麥檸檬酸轉運蛋白基因TaMATE1B的啟動子中發現了類似的情況，其中轉座子樣擴增的TaMATE1B表達並使其表達於根尖。
黑麥中ScALMT和玉米中ZmALMT1 的拷貝數變異在增強Al抗性基因表達中起作用，耐Al的玉米基因型含有ZmMATE1的三個功能拷貝，它們是相同的並且是串聯重複的。這種拷貝數擴增是玉米耐鋁性的罕見事件，有趣的是，攜帶三拷貝等位基因的三個玉米品系都起源於南美熱帶地區。
4.2 鋁激活的鋁抗性蛋白
涉及Al抗性的根ALMT和MATE蘋果酸鹽/檸檬酸鹽轉運蛋白的生理學研究清楚地表明，Al對轉運蛋白髮揮功能是必需的。 這些有機酸在植物體內發揮著多重作用，Al與轉運蛋白直接和/或間接相互作用以激活或增強來自根的蘋果酸和檸檬酸外排，這與植物對這些重要的有機分子釋放過程的控制是一致的，因此它們僅在存在Al毒性的情況下才釋放到熱環境中。
非洲爪蟾卵母細胞中TaALMT1和AtALMT1轉運蛋白的電生理學分析證實了Al增強的蘋果酸轉運，證明它們在卵母細胞中的轉運活性因細胞外Al的存在而增強。這類似於配體門控通道，當與ALMT蛋白相互作用時，Al充當激動配體。 Al與轉運蛋白的結合可導致有利於其開放狀態的構象變化，從而增加其運輸活性和促進陰離子通量。
研究人員對TaALMT1的結構和功能進行了詳細的分析。TaALMT1變體由所有43種帶負電荷的氨基酸的定點誘變產生，以及長C-末端尾部的連續截短。對ALMT系統發育研究和TaALMT1變體的電生理學分析表明，ALMT1蛋白質的N-末端區域包含六個預測的TMD，並且預測其作用於信號傳遞，即使在沒有C-末端結構域的情況下也足以介導蘋果酸陰離子轉運。然而N-末端和C-末端結構域中的肽區域都參與了Al的結合和反應。
來自卵母細胞中SbMATE，AtMATE和VuMATE的電生理學和生理學研究表明，MATE轉運蛋白在沒有Al的情況下，介導了組成型檸檬酸外排。這表明在根中，Al激活的檸檬酸外排可能是由於其他植物蛋白與植物中的MATE檸檬酸轉運蛋白的相互作用引起的，其他蛋白質與MATE檸檬酸轉運蛋白相互作用促進了Al激活的檸檬酸釋放。
5. 作物鋁毒抗性的遺傳基礎
作物中鋁抗性的遺傳基礎，通常基於質量性狀和數量性狀進行遺傳分類。然而在物種水平上，這種簡單化對於抗鋁毒機制的理解是不充分的。在小麥、高粱和大麥中鑒定出了很多遵循典型孟德爾遺傳的Al抗性基因，它們還是Al抗性基因座的主效基因。然而在高粱雜交中，Al抗性基因座AltSB 的超親分離表明在高粱中有著更複雜的遺傳模式。在高粱和小麥中，還觀察到從親本到近等基因系的Al抗性轉移不完全。此外在小麥中，報道了涉及由MATE同源基因調控的第二種Al抗性機制（除了TaALMT1介導的蘋果酸釋放），明小麥抗性比最初想像的更多樣。這表明，即使在作物中存在主效基因的情況下，輔助基因座的等位基因變異也可能在某些雜交中引起Al抗性的多基因遺傳。
雖然研究強調了TaALMT1和SbMATE在小麥和高粱Al抗性中的重要性，其他重要的Al抗性基因在這些物種中可能仍然未被鑒定出。大麥中發現了最明顯的Al抗性單基因遺傳的情況，不同遺傳性Al抗性主要是由於Alp基因座處不同的等位基因造成的，在該基因座之外的遺傳改良對於Al抗性的改善潛力很小 。然而大麥的GWAS證實了，儘管Alp在Al抗性中起重要作用，但是2H和7H的小麥染色體上的新區域，可能在野生西藏大麥的Al抗性中發揮作用。因此認為，自然界中作物的鋁抗性，從遺傳和生理學的角度來看，應該被認為是質量性狀遺傳。這一觀點還缺乏關於農作物鋁抗性的數量性狀變異分子基礎的詳細解釋。
大多數關於作物鋁抗性遺傳學的研究都集中在穀類作物上。這裡介紹的作物，集中在高粱和小麥這些傳統上被認為具有質量性狀遺傳的作物，以及水稻和玉米這些被認為具有數量性狀遺傳的物種。
5.1 高粱
在高粱種質中，高水平的鋁抗性是罕見的，發生頻率約為5％。因此，針對高粱適應酸性土壤的Al毒育種計劃必須依賴於Al抗性供體的有意識別和引入。一個主要的半顯性Al抗性基因座AltSB被定位到高粱染色體3的末端區域，這為該基因座下的抗Al基因SbMATE的圖位克隆奠定了基礎。
不同高粱種質對鋁抗性的遺傳調控表明，探索AltSB的等位基因異質性並鑒定其他鋁抗性位點，有可能提高高粱的鋁抗性。最重要的是，超親分離表明，不同的鋁抗性基因可能會附加地起作用，導致高水平的高粱鋁抗性。高粱的SbMATE表達和鋁抗性之間存在強烈的相關性，並且通過SbMATE的轉錄調節起作用的其他基因座似乎可能在高粱Al抗性中起作用。
Melo等人使用基因標記輔助選擇，通過回交將耐受供體的AltSB基因座轉移到敏感親本中，他們觀察到Al抗性表型的不完全轉移，以及攜帶Al耐受性ALtSB等位基因的近等基因系中SbMATE表達的降低。這表明高粱基因組中額外的Al抗性基因座的存在，這些基因通過調節SbMATE的表達起作用。雖然在某些Al抗性供體中觀察到Al抗性和SbMATE表達的強烈降低，但其他基因似乎主要順式調控SbMATE的表達，在利用基因標記輔助選擇的回交育種中，Al抗性供體中這些附屬基因座仍然未知。
通過克隆作物中主要的抗鋁基因，現在可以利用不同品種間基因的多態性，結合緊密連鎖的分子標記進行分子育種。這樣就能從局部適應品種中，挖掘和鑒定高粱Al抗性等位基因，避免通過外源轉基因引入Al抗性。多態性分析表明，高粱鋁抗性是一種罕見的性狀，特別是在幾內亞尾葉高粱亞群中。在與AltSB相關的雜交生產中，只選擇與最高鋁抗性表型相關的等位基因是不夠的，考慮與AltSB相關的生成方式的多樣性也是至關重要的。後續的關聯作圖揭示了AltSB基因座上非常高水平的連鎖不平衡衰減，達到大約1,000鹼基對的基礎水平，這使得研究人員能夠檢測到內部重組事件。單倍型分析表明，AltSB中Al抗性突變可能是在西非的原始幾內亞馴化物中起源的。第二個SbMATE內含子中具有最強關聯信號的單核苷酸多態性（SNP），它可能是高粱 Al抗性等位基因挖掘的有用標記。
上圖描繪了基於上述發現的，旨在改善高粱中Al抗性的育種方案。首先根據種族分類和分子標記評估群體結構，然後使用與Al抗性相關的SNP基因座處的低頻等位基因進行高通量基因分型以鑒定耐受Al的育種品系。該方法允許快速篩選大量品系以鑒定少數耐受Al的種質，顯著富集顯示高或中間Al抗性的種質。最後一步是確認Al抗性表型分析，因為其他基因的背景效應可能會降低SbMATE表達的，所以這一步也很重要。如果育種計劃不包含耐鋁高粱種質，建議引入已知的抗性供體，然後進行標記輔助選擇，將等位基因特異性和側翼標記與背景標記一起，用於標記輔助回交以改善Al抗性。
5.2 小麥
關於小麥抗鋁性的早期報道表明單基因或雙基因遺傳參與抗鋁毒，且抗性基因具有顯性基因作用。然而與整倍體親本相比，雙端體種群的Al抗性降低，證明了多基因遺傳結構的存在。由於Al抗性基因的分離，這可能在雙親群體中被遺漏。 1996年 Luo & Dvorak、Riede & Anderson 定位了4號染色體長臂上主要的Al抗性基因座，該基因座解釋了85％的Al抗性變異。關於該基因座更精細的遺傳作圖，將TaALMT1定位於該基因座所在的區域，這在小麥Al抗性育種中具有重要意義。雖然TaALMT1對小麥Al抗性有顯著影響，但越來越多的證據表明其他Al抗性基因的存在。儘管在小麥抗鋁方面起著相對較小的作用，但在高抗的小麥品系中已經鑒定出小麥的MATE同源基因，介導不受Al誘導的檸檬酸釋放。該同源基因位於4BL染色體上，這與之前在中國春小麥的二倍體分析中提出的 4BL染色體上有一個或多個Al抗性基因是一致的。雖然分子標記的數量很有限，小麥的GWAS仍鑒定出一些之前報道的Al抗性數量性狀位點，包括在4DL染色體上攜帶TaALMT1的區域，還有在染色體3B上之前報道過的區域，以及5B染色體上的一個新區域。現在是時候去研究一下，除了TaALMT1之外，還有多少可以改善小麥Al抗性的潛力和空間。
5.3 水稻
水稻可能是最耐鋁的穀物了，水稻中的鋁抗性也最具複雜性。雖然在水稻中檢測到Al抗性QTL位於與主要小麥抗性基因座[水稻3號染色體]和高粱AltSB [水稻2號染色體]的保守位置，但水稻對Al的高抗性似乎不是基於小麥和高粱採用的根系OA釋放的Al排除機制。Yokosho等人發現，位於第1染色體的OsFRDL4是MATE的同源基因，編碼檸檬酸轉運蛋白，在水稻Al抗性中起作用。Magalhaes等人指出的水稻SbMATE同源基因，Os01g69010，現在已確定是OsFRDL4。接下來的問題是，如何解釋參與水稻Al抗性的MATE同源基因與Al激活的OA釋放和水稻對Al的抗性之間缺乏相關性。似乎Al抗性的其他機制可能在某些水稻遺傳背景中掩蓋了檸檬酸分泌對Al抗性的影響。為了澄清這個問題，可以使用特定的遺傳資源（例如不同QTL的近等基因系）來評估每個QTL的實際貢獻和相關的生理機制對水稻鋁抗性的影響。
使用383份材料和兩個雙親分離種群體，進行水稻鋁抗性的GWAS分析，提供了水稻Al抗性和已知與Al抗性相關基因的功能變異間的聯繫。亞群結構解釋了57％的鋁抗性變異，這與高粱中鋁抗性與種群結構之間的已知關係相似，與Al抗性相關的48個區域中的大多數是亞群特異性的。來自GWAS或雙親QTL作圖的相關證據發現了先前涉及的Al抗性基因，即ART1，ABC轉運蛋白STAR2 和 Al轉運蛋白Nrat1。水稻的鋁抗性表明，高水平的抗性可能是互補的基因和機制聚合的結果。
5.4 玉米
玉米中鋁抗性的遺傳機制通常被認為由多基因控制。生理學證據表明，玉米採用鋁激活檸檬酸釋放的Al外排解毒機制，但是這種機制不足以解釋所有觀察到的Al抗性的自然變異，所以認為玉米中存在其他Al抗性機制。關於玉米複雜的鋁抗性遺傳分析確定了2號、6號和8號染色體上的5個QTL，它們解釋了玉米60％的Al抗性表型變異。後來對不同種群的研究也發現了5個QTL，其位置與原始研究的位置基本一致。位於6號染色體上的QTL在這兩項研究中顯然是保守的，因此可能含有玉米Al抗性基因。高粱SbMATE的玉米同源基因ZmMATE1，隨後被鑒定為定位於6號染色體上的主要Al抗性QTL，作為Al激活的檸檬酸轉運蛋白，在高抗性基因型玉米的根尖，其表達高度受Al誘導，表明ZmMATE1是6號染色體上檢測到的主效QTL的基礎。
連鎖作圖研究為玉米中多種抗鋁機制提供了額外的證據。ZmNrat1是水稻Nrat1 在玉米中的同源基因，被定位在Al抗性QTL的40Mb區域，在玉米根尖中該基因的表達受Al誘導上調。將6號染色體上Al抗性QTL的主效基因ZmMATE1導入Al敏感背景，他們觀察到Al抗性的顯著增加，並且與上面討論的高粱SbMATE近等基因系不同，ZmMATE1基因表達沒有減少。這也印證了ZmMATE1的轉錄調節主要是順式調控，和先前根據ZmMATE1表達QTL（eQTL）作圖和ZmMATE1拷貝數變異的發現推斷的結論一致 。因此，玉米中Al抗性的多基因調控可能反映了玉米中Al抗性機制的多樣性，而不是影響ZmMATE1這一個基因表達的上位性。關於高耐鋁的肯亞玉米系中ZmMATE1表達的研究和玉米Al抗性的一些生理學研究也表明，存在新的抗性機制和可以提供改善Al抗性的新途徑。
小結
自20世紀90年代以來，已經知道涉及Al激活的根轉運蛋白的Al排除機制，並且在2004年鑒定了編碼小麥中該機制的蘋果酸轉運蛋白的基因。隨後又逐漸確定了其他幾種ALMT型蘋果酸轉運蛋白和MATE檸檬酸轉運蛋白，以及關於組成型和鋁誘導的ALMT和MATE表達的分子基礎，包括順式元件和反式作用因子的鑒定。此外，對水稻（最耐鋁的穀物）的研究以及對少數Al高積累植物的研究，已經確定了新的Al耐受機制。涉及了對細胞壁的碳水化合物組分的改變以改變該其中的Al結合，還涉及鋁特異性轉運蛋白降低根細胞壁的Al毒負荷，並且吸收的Al最終存儲在根或葉的液泡中，在那裡解毒並與細胞的敏感組分隔離。
該領域內最新的研究涉及Al抗性的不同方面，例如Al信號傳導組分的鑒定和功能以及調節Al抗性基因和蛋白質的轉錄、轉錄後和翻譯後調節的途徑。另外，研究人員已經開始利用Al抗性結構成分和信號通路的差異，通過分子育種和農業生物技術改良酸性土壤上的作物種質。
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