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乙烯响应因子(ERF)是AP2/ERF(apetala2/ethylene response factor)大家族中的1个亚族，最早从烟草Nicotiana tabacum中分离发现，都含有1个AP2结构域。ERF受乙烯诱导表达，并且具有与生物胁迫抗性基因启动子结合的能力[1]。随着研究深入，ERF结构中各类基序的作用被广泛关注，其中AP2结构域作为DNA结合域更是受到深入研究。在各类植物生长代谢与非生物胁迫响应等方面，ERF也受到农林研究者的重视。除乙烯外，其他信号分子及表达调控机制也影响着ERF的行使功能。本研究以ERF的结构特征、生物学功能以及有关的调控机制为主题，对近年有关ERF的研究进行综述，以期为ERF表达调控和功能研究提供思路。
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ERF含有1个AP2结构域，AP2结构域是ERF的DNA结合域，是其行使转录调控的关键。NAKANO等[2]根据系统发育关系、外显子-内含子结构和蛋白质基序分别将拟南芥Arabidopsis thaliana和水稻Oryza sativa中的ERF分为12组和15组。这种分类方式适用多种植物，如苜蓿Medicago sativa[3]、二穗短柄草Brachypodium distachyon[4]、人参Panax ginseng[5]等。同组的ERF因为有着相似的结构和保守基序，通常具有相似的性质[2]。
AP2结构域最早发现于拟南芥AP2基因中，由大约60个氨基酸组成[1, 6]。AP2结构域的N端存在1个碱性亲水区，含有3个反平行的β-折叠，这3个β-折叠在识别顺式作用元件中具有重要作用，C端有1个两亲性的α-螺旋，可能参与其他转录因子或DNA的相互作用[7]。ERF根据AP2结构域上特定位置的不同，氨基酸残基可分为ERF与DREB，由于残基的不同，ERF和DREB对启动子的亲和性和识别特异性会有差异[8]。ERF和DREB通常结合的顺式元件分别是GCC(核心序列为GCCGCC)和DRE/CRT(dehydration-responsive element/C-repeat，核心序列为CCGAC)[9]。除这两者外，ERF还可以结合其他的基序，例如刚毛柽柳Tamarix hispida的ThCRF1可与GCC、DRE、TTG1和TTG2基序结合[10]。ERF与基序结合的特异性似乎受到某种机制的调控，根据接收到的信号改变对基序的结合倾向，例如拟南芥中ERF1在茉莉酸诱导下与茉莉酸响应基因启动子上的GCC基序结合，但受到非生物胁迫时，ERF1优先与胁迫抗性基因启动子上的DRE基序结合[11]。
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ERF在AP2域外含有一些保守的氨基酸基序。有些基序在ERF参与转录调控时起到重要作用，当基序缺失或突变时会导致功能的改变或缺失。比如EAR(ERF-associated amphiphilic repression)类基序，这类基序有2种保守序列，分别为LxLxLx和DLNxxP[12]。EAR基序可直接影响ERF转录调控的功能，例如拟南芥中ERF4有2种亚型，其中ERF4-R(含有EAR基序)能抑制基因表达，而ERF4-A(不含EAR基序)能上调基因表达[13]。有的基序具有激活结构域的功能，比如EDLL基序具有激活转录的功能，因保守的谷氨酸(E)、天冬氨酸(D)和亮氨酸(L)残基而得名，属于酸性的激活结构域[14]。基序还有其他功能，如拟南芥ESR1中的ESR基序是激活结构域，当用VP16替换ESR基序时，ESR1丧失了促进芽再生的能力[15]。ERF功能基序可以通过基因编辑的方式添加至目标ERF基因中，修饰后ERF的功能根据基序的类别发生改变，例如将以EAR基序为基础改造的SRDX序列添加至ERF中，使修饰后的ERF具有转录抑制的功能[16]。
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ERF的生物学功能涉及范围非常广，胁迫和生长发育都有它的参与。ERF的功能主要由直接调控目标基因实现，也有一些是通过调控其他转录因子实现(表1)。
表 1 ERF的功能
Table 1. Function of ERF
植物 ERFs 目的基因及调控方式 目的基因说明 效果 拟南芥 ERF4 CAT3 过氧化氢酶，ROS清除酶系统之一 根据ERF4形态不同，调控的效果不同[13] 拟南芥 ERF96 上调PDF1.2a、PR-3/4和ORA59 生物胁迫抵御基因，ORA59为转录
因子增强植物对病原体抗性[17] 拟南芥 ERF74 上调RbohD 呼吸暴发氧化酶，增加活性氧的产量 启动胁迫初期活性氧暴发，增强信号传导[18] 拟南芥 Ⅸb组ERF 上调CYP81F2 杀菌剂吲哚类硫苷合成关键酶 增加吲哚类硫苷合成，减少植物间真菌传播[19] 拟南芥 WRI4 上调LACS1、KCR1、PAS2、ECR和WSD 参与表皮蜡质合成 增加蜡质合成，保护植物受逆境伤害[20] 拟南芥 RAP2.2和RAP2.12 上调LBD41和PCO1 低氧响应蛋白质 受低氧胁迫诱导，保持低氧应答基因在低氧环境下的稳定[21] 拟南芥 AtERF72 下调IRT1、HA2和上调CLH1 IRT1、HA2铁吸收，CLH1叶绿素降解 受缺铁环境诱导，起到负调控效果[22] 苹果 MdERF2 上调MdACS3a 果实成熟过程中乙烯合成关键酶基因 进一步促进乙烯生成[23] 苹果 MdERF4 下调MdERF3 转录因子，响应盐胁迫并提高盐胁迫抗性 削弱植物对盐胁迫抗性[24] 水稻 OsERF71 上调OsXIP 抑制微生物来源的木聚糖酶 增强植物抗性[25] 芜菁 BrERF72 上调BrLOX4、BrAOC3和BrOPR3 参与茉莉酸合成 加速叶片衰老[26] 番茄 JRE4 上调DWF5和GAME4 甾醇还原酶和配糖生物碱代谢相关 促进糖苷生物碱的合成[27] 番茄 ERF68 上调COPA、Sw-5a、AOS和
下调CAB参与细胞程序性死亡 促进细胞程序性死亡，防止病原体扩散[28] 月季 RhERF1和RhERF4 下调RhBGLA1 β-半乳糖苷酶，加速花瓣脱落 防止花瓣脱落[29] 罂粟 PsAP2 上调AOX1a 抗氧化酶之一 增强植株的ROS清除能力[30] 碧冬茄 PhERF2 上调ADH1-2 乙醇脱氢酶 提高植物对水淹抗性[31] 山葡萄 VaERF092 上调VaWRKY33 转录因子，调控胁迫相关基因 增强植物对低温的抗性[32] 小果野蕉 MaERF10 下调MaLOX7/8、MaAOC3和MaOPR4 参与茉莉酸合成 抑制茉莉酸信号，增强冷害[33] 小果野蕉 MaDEAR1 下调MaEXP1/3、MaPG1、MaXTH10、MaPL3和MaPME3 修饰细胞壁，与果实软化有关的基因 防止果实过早软化[34] 甜橙 CitERF13 上调CitPPH和CitNYC 参与叶绿素降解 加速果实褪绿[35] 甜橙和椪柑 CitERF6 上调CitPPH 参与叶绿素降解 加速果实褪绿[35] 桃子 PpeERF2 下调PpeNCED2/3和PpePG1 ABA合成与细胞壁降解 防止果实过快软化[36] 番木瓜 CpERF9 下调CpPME1/2和CpPG5 细胞壁降解 防止果实过早软化[37] 枇杷 EjERF39 Ej4CL1 木质素合成基因 促进果实木质化[38] 说明：苹果Malus domestica、芜菁Brassica rapa、月季Rosa chinensis、罂粟Papaver somniferum、碧冬茄Petunia×hybrida、山葡萄 Vitis amurensis、小果野蕉Musa acuminata、甜橙Citrus sinensis、椪柑Citrus reticulata、桃Amygdalus persica、番木瓜Carica papaya、枇杷Eriobotrya japonica -
ERF在植物受到胁迫时通过调控胁迫响应的相关基因以应对各种胁迫。生物胁迫中，ERF抵御真菌病原体最直接的方式是上调有关防卫基因，如拟南芥中ERF96上调PDF和PR这类病理相关基因[17]；拟南芥中Ⅸb组ERF可以上调CYP81F2促进杀菌剂吲哚类硫苷合成[19]。还有通过促进程序性死亡以防止病原体的扩散，如番茄Solanum lycopersicum中ERF68可以上调有关细胞程序性死亡的基因促进细胞死亡[28]。非生物胁迫下ERF通过调控各种非生物胁迫抗性相关基因表达，提高植物抗逆性。碧冬茄中PhERF2在植株受水淹的情况下上调ADH1-2乙醇脱氢酶的表达，提高植株对水淹的抗性[31]。枇杷的EjERF39受低温诱导，上调木质素合成基因Ej4CL1，促进果实木质化，减轻冷害[38]。ERF可以通过调控转录因子来增强植物抗性，例如山葡萄中VaERF092受低温胁迫诱导并通过增强VaWRKY33表达，从而间接增强植株对低温的抗性[32]。ERF还可以通过调控渗透调节物质以增强植物的抗性，例如小豆Vigna angularis中VaERF3在盐碱胁迫中及水稻OsERF71在干旱胁迫中都可以诱导脯氨酸的积累，分别提高相应的胁迫抗性[39-40]。
ERF可能在逆境条件下负调控植物抗性，这会加剧植物所受的伤害。ERF可以通过直接抑制相关抗性基因的表达降低植物的抗性。拟南芥AtERF72会受缺铁环境诱导并抑制参与铁吸收的IRT1和HA2的表达，进一步抑制铁吸收[22]。白桦Betula platyphylla中BpERF11受盐胁迫和干旱胁迫诱导表达，抑制LEA和脱水蛋白基因的表达，并加剧干旱胁迫导致的伤害[41]。ERF还能通过抑制相关转录因子的表达以起到间接负调控。苹果中MdERF4抑制具有盐胁迫抗性的MdERF3表达，从而削弱了植物对盐胁迫的抗性[24]。还有ERF通过抑制植物激素或信号分子以负调控胁迫的响应基因。小果野蕉中MaERF10受低温胁迫诱导，与TIFY蛋白MaJAZ3互作通过抑制茉莉酸合成基因的表达以抑制茉莉酸信号途径，从而使果实表现出明显的冷害[33]。CaDRAT1在辣椒Capsicum annuum受到干旱胁迫时，通过抑制脱落酸(abscisic acid，ABA)合成基因的表达从而抑制了依靠ABA信号的干旱响应基因的表达[42]。
ERF负调控胁迫下的植物抗性或许是为维持其他系统的稳定。番茄SlERF84可以增强干旱和盐胁迫抗性，但会削弱生物胁迫抗性，原因可能是SlERF84通过增强活性氧(reactive oxygen species，ROS)清除能力以减缓细胞死亡，从而削弱植物对病原体的抗性[43]。苹果中MdERF4对MdERF3的调控可能是盐胁迫下维持乙烯在植物体内稳态的反馈调节机制[24]。番薯Ipomoea batatas中IbERF4抑制非生物胁迫响应基因表达，这或许是因为IbERF4主要参与调控开花和叶片衰老而导致的[44]。
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果实成熟的标志包括褪绿和变软。ERF可以通过调控相关基因促进叶绿素的降解，比如甜橙和椪柑中CitERF6上调果实中参与叶绿素降解的CitPPH，从而促进果实褪绿[45]；甜橙CitERF13可以直接上调CitPPH和CitNYC加速果实褪绿[35]。一般果实在成熟后会发生软化的现象，软化会影响果实的货架期寿命以及运输，ERF能通过调控相关基因调节软化的过程，比如桃子中PpeERF2通过抑制PpeNCED2、PpeNCED3(参与ABA合成)和PpePG1(参与细胞壁降解)的表达，以防止果实过早软化[36]；同样还有番木瓜中CpERF9和小果野蕉MaDEAR1，都是通过抑制相关细胞壁降解的基因表达，防止果实过早软化[34, 37]。
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花或叶的衰老和脱落是植物的生理现象，但衰老和脱落并非为一种过程。衰老背后的本质是细胞的程序式死亡。以拟南芥为例，拟南芥WRKY53被视为叶片衰老的核心转录因子，ESP/ESR负调控WRKY53，AtERF4和AtERF8可以直接抑制ESP/ESR的表达从而间接加速叶的衰老[46]。拟南芥中过氧化氢(H2O2)正向增强WRKY53的表达，ERF4的2种亚型直接调控CAT3的表达以控制H2O2的量从而间接调控衰老进程[13]。ERF还可以通过调节其他信号分子及其信号转导来调节花或叶的衰老。芜菁中BrERF72由茉莉酮酸甲酯诱导并上调茉莉酸合成基因表达从而通过茉莉酸信号途径加速叶片衰老[26]。KHASKHELI等[47]在月季花中筛选出可以上调细胞分裂素含量的基因RhERF113，在沉默其表达后，花加速衰老，而在补充外源细胞分裂素后可以使衰老速度恢复到正常水平。脱落是另一种过程，脱落器官在基部的离区细胞受乙烯等激素信号的诱导完成脱落。在乙烯信号传导过程中有一类名为EDF(ethylene response DNA-binding factors)的蛋白质位于EIN3的下游[48]，EDF在植物开花期间促进花的衰老和脱落。一种名为FUF1的ERF可抑制EDF的表达从而达到延长花期的效果[49]。此外，月季的β-半乳糖苷酶基因RhBGLA1会加速花瓣的脱落，而RhERF1和RhERF4可以抑制此基因的表达，防止花瓣脱落[29]。
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ERF受各类信号分子的诱导从而表达并行使相应的功能(图1)，这些信号分子通过在植物体内的信号转导，逐级将体内和体外的环境信息传递，最终完成对ERF的表达调控。
图 1 ERF与信号分子的调控关系
Figure 1. Regulatory relationship between ERF and signal molecules
作为ERF的命名来源，乙烯对ERF的调控关系最先被发现[1]。乙烯经过信号转导，诱导ERF在植物体内调控胁迫防御及生长发育等生理过程。以拟南芥为例，乙烯与位于内质网膜上的各类乙烯受体结合，使与受体关联的激酶CTR1失活，无法磷酸化EIN2的C端[50]。未被磷酸化的EIN2从而进入细胞核，使转录因子EIN3能稳定存在并发挥作用[51]，随即EIN3激活包括ERF1等转录因子的转录，这些转录因子调控其他的乙烯响应基因以完成乙烯信号响应。除ERF1外还有许多受乙烯信号诱导的ERF，如枸杞Lycium chinense中的LchERF受乙烯诱导增强植株盐胁迫抗性[52]，拟南芥中AtERF4受乙烯诱导降低了对乙烯的敏感性[53]。
ABA在植物对抗非生物胁迫时能通过诱导相关的ERF增强抗性。比如番茄ERF5基因的转录受外源ABA诱导并能增强植物对干旱和盐胁迫的抗性[54]。ABA与乙烯2种信号在部分情况下也存在拮抗作用，例如拟南芥中ABA信号能激活下游ERF基因ABI4，而乙烯信号通过EIN3能够抑制ABI4的表达，两者的拮抗作用影响抗坏血酸与ROS的含量[55]。ERF也可以反过来调控ABA信号传导。拟南芥AtERF4受ABA诱导并抑制ABA的信号传导，ABA响应基因明显下调[53]。
ERF和其他植物激素也有调控关系，这其中发现较多的是茉莉酸信号与ERF之间的调控，茉莉酸信号对ERF的调控主要表现在抗逆性和生长代谢等方面。例如在抵御胁迫时水稻OsERF71和拟南芥ERF96都可由茉莉酸信号诱导表达，提高植物对生物胁迫的抗性[17, 25]。在植物生长代谢方面，茉莉酸信号可由ERF进一步促进茉莉酸的信号传导，如芜菁BrERF72可由茉莉酮酸甲酯诱导并上调参与茉莉酸合成相关基因从而加速叶片衰老[26]。茉莉酸信号通过ERF还能调控其他代谢相关的产物生成，例如番茄JRE4受茉莉酸诱导上调，JRE4直接上调甾醇还原酶和配糖生物碱代谢相关基因促进糖苷生物碱的合成[27]。生长素信号诱导ERF参与了脱落有关的调控，月季花瓣离层RhERF4受生长素诱导且抑制下游RhBGLA1的转录，从而抑制了离层果胶的降解，延缓花瓣脱落[29]。水杨酸是重要的植物防御激素，它本身能诱导ERF的表达，例如水稻的OsERF96和山海关杨Populus deltoides‘Shanhaiguan’的PdERF-18[56-57]。
ROS在ERF接收胁迫信号过程中具有重要作用。胁迫初期位于细胞膜上的蛋白质感应到胁迫信息，需要次级信使将胁迫信息传至内部。ROS作为次级信使之一能够将细胞内的信号快速传递至细胞核，激活一系列蛋白激酶(protein kinases，PKs)或蛋白磷酸酶(protein phosphatases，PPs)，而PKs和PPs可以触发对转录因子磷酸化或脱磷酸化级联反应[58-59]。例如拟南芥中ROS会触发MPK6，随后MPK6磷酸化ERF6，最后ERF6调控下游相关ROS响应基因[60]。除此之外，还有水稻中受ROS诱导的SERF1，通过MAPK5磷酸化后激活，提高水稻的盐胁迫抗性[61]。
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在ERF基因转录后，目前有选择性剪接和miRNA为主的2种调控方式。选择性剪接在参与非生物胁迫的DREB中较为常见，如水稻的OsDREB2A/2B[62]和玉米Zea mays的ZmDREB2A[63]，只有在胁迫下才会产生具有功能的有效转录本。选择性剪接还可导致功能转变，例如拟南芥中，ERF4-A和ERF4-R的存在比率由RNA结合蛋白FPA控制，当叶片开始衰老时，ERF4-R的存在比率比未衰老时高，从而抑制抗氧化酶的表达以促进叶片的衰老[13]。miRNA作为一类非编码RNA，主要通过降解mRNA或是沉默目标基因的翻译以抑制目标基因的表达。如miRNA172通过抑制AP2/ERF蛋白的翻译从而对调控生殖器官的发育以及抑制干细胞增殖起到了关键的作用[64]。选择性剪接和miRNA都是针对mRNA的修饰方式，选择性剪接使ERF可以产生多种转录本，丰富了ERF功能的多样性。miRNA对mRNA进行直接修饰可以特异性负调控ERF，明晰miRNA对ERF的表达调控机制可以促进miRNA技术在ERF功能上的应用。
有一些调控机制可以降解或激活已翻译成蛋白质的ERF。泛素化是降解ERF的调控方式之一，例如拟南芥中，响应干旱胁迫的AtERF53在非胁迫情况下会被带有RING结构域的E3泛素连接酶RGLG2泛素化，使其被26s蛋白酶分解[65]。Ⅶ组的ERF被独特的N端规则所调节，这些ERF的N端在正常生长环境下会被植物半胱氨酸氧化酶Pco1/2修饰，随后被N端识别蛋白ATE1/2和PRT6识别并降解。其中半胱氨酸受氧气(O2)与一氧化氮(NO)氧化，而非生物胁迫能抑制NO的积累。在植物处于缺氧状态或是胁迫的情况下，Ⅶ组的ERF才得以稳定存在，从而激活胁迫相关的应答基因[66-67]。不同于前两者，磷酸化是一种激活ERF的机制，对ERF是重要的调控途径。不同激酶磷酸化通常会导致ERF的功能发生变化，包括活性的变化和细胞器的定位等。WANG等[60]研究发现：拟南芥ERF6上的磷酸化位点可以被MPK6特异性识别并进行磷酸化，磷酸化后的ERF6转录因子对其下游基因具有更强的激活活性。尽管野大豆Glycine soja的GsERF7本身含有核定位信号基序，但只有被GsSnRK1磷酸化之后才会从细胞质被重新定位至细胞核，从而发挥转录调控功能[68]。
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ERF有些功能是通过调控植物中的信号分子完成的，比如ERF通过调控植物激素合成途径中的关键酶基因以控制植物激素信号通路。ERF通过调控乙烯合成关键基因的表达，从而调节乙烯的生物合成和信号传导，例如苹果果实中的MdERF3受乙烯诱导且能上调MdACS1的表达，从而加速乙烯的合成[23]。ERF还可以抑制乙烯合成关键酶基因的表达，以控制乙烯的生成，例如HAN等[69]在小果野蕉果实中发现MaERF11能够有效抑制MaACO1的转录从而抑制乙烯的合成。除此之外，ERF也可以参与果实成熟过程中乙烯合成模式的转换。例如苹果果实成熟初期，MdERF2通过抑制酶活性较高的MdACS1的表达，并上调酶活性较低MdACS3a的表达，来限制乙烯在果实中的积累以放慢苹果的成熟速度[23, 70]。
ERF也可以通过调控ABA合成相关基因从源头调控ABA的信号，例如烟草中JERF1直接上调ABA合成相关基因NtSDR以增加ABA的含量，增强烟草对盐胁迫和低温胁迫的抗性[71]。ERF还可抑制ABA信号，例如拟南芥AtERF4过表达株系的种子经ABA处理后，相比于野生型种子，ABA信号转导下游基因表达量明显下降[53]，这说明AtERF4是通过抑制ABA的信号传导调控了ABA的信号。桃子PpeERF2可以直接抑制ABA合成相关基因PpeNCED2、PpeNCED3的表达以抑制ABA的合成[72]。其他植物激素如茉莉酸和水杨酸等也受到ERF的调控，例如芜菁BrERF72上调参与茉莉酸合成相关基因从而加速叶片衰老[26]，苹果MdERF11通过促进水杨酸的合成以增强植株对生物胁迫的抗性[73]。
ERF可以通过调控呼吸暴发氧化酶同系物(respiratory burst oxidase homolog，Rboh)家族基因，加速ROS生成，从而促进胁迫信号传递，完成早期胁迫响应。比如拟南芥中的AtERF73/74在胁迫初期能调控Rboh家族基因，Rboh催化H2O2生成，H2O2将胁迫信号继续传递[18, 74]。信号传递后过量的ROS会对植物产生氧化伤害，ERF通过加强ROS清除系统以清除过量的ROS。例如SUN等[75]将山葡萄中受低温胁迫诱导的VaERF080/087转入拟南芥，转基因植株较野生型在低温胁迫下活性氧清除酶具有更高活性，也表现出更好的低温抗性。拟南芥ERF4-A可以上调CAT3的表达从而减缓细胞死亡[13]。植物激素可以通过ERF调节抗氧化系统以控制ROS，例如罂粟中PsAP2可由乙烯、茉莉酸和ABA诱导并通过上调AOX1a增强植株的抗氧化能力[30]。
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ERF与蛋白质协作互作可以介入到多种反应。通过与相应的蛋白质协作能大幅提高转录激活能力。比如GmERF5与GmbHLH、GmEIF互作，可提高大豆Glycine max对病原体的抗性[76]，OsERF3和WOX11互作调控细胞分裂素响应基因RR2以调节水稻的根冠发育[77]，EjERF39和EjMYB8互作调控木质素合成基因以增强枇杷果实低温抗性[38]。具有转录抑制功能的ERF通过招募辅抑制因子以起到加强抑制的作用，例如在小果野蕉果实中，MaERF11可以抑制果实成熟相关基因的表达并可招募组蛋白去乙酰化酶MaHDA1增强抑制效果[69]。ERF通过与其他转录因子之间发生互作以竞争与目标启动子结合的机会，例如苹果MdERF2通过其N端与MdERF3的DNA结合域结合，从而使MdERF3无法与目标基因启动子结合[23]。
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ERF是植物特有的转录因子，其AP2结构域作为DNA结合域受到大量关注，但在AP2结构域外尚有很多基序是未知的，且这些基序能否应用在基因工程中也需要进一步研究。ERF的功能受到很多农林领域研究者的关注，但对于ERF这个大家族来说，得到明确功能注释的仅有少数，且主要出自少数模式作物，后期研究应对其他植物中ERF进行大量的功能验证。园艺领域研究者对ERF调控果实成熟和花叶的衰老与脱落的关注较多，未来可以对园艺植物在切花或果实保鲜和花果期调控等课题深入研究。ERF既受信号分子调控，又调控信号分子的生成和传导。目前有大量关于ERF与各类信号分子之间调控的研究，但大多数并未涉及到信号交叉或完整的调控网络，或许未来研究者可以关注在信号调控网络中ERF所发挥的节点作用。植物中一些因子对ERF调控使ERF适宜地发挥作用，这些调控机制有助于理解ERF发挥功能的过程，但很少得到具体应用。目前来看，应用miRNA具有一定的可行性，或许未来应更深入miRNA调控ERF的研究。ERF与蛋白质相互作用类型广泛，具有结构域的特异性，但这方面的机理研究还有很多空缺，未来有关ERF-蛋白质特异性结合的机理应该得到深入研究。
A review of the structure, function and expression regulation of ethylene response factors (ERF) in plant
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摘要: 乙烯响应因子(ERF)是植物中AP2/ERF转录因子超家族中的一部分，其结构特征为含有1个AP2结构域，在AP2域外还含有功能各异的基序。ERF在胁迫下通常正向调控植物的抗性，但也会因为一些原因负调控植物的抗性。ERF通过调节果实的色素变化及软化等调控果实成熟过程，通过调控衰老和脱落进程以控制花叶的寿命。ERF受信号分子调控启动转录，之后受其他机制调控完成表达。ERF可以通过调控信号分子对下游基因进行大范围的调控。多种ERF与蛋白质之间互作的机制丰富了ERF调控下游基因的方式。本研究综述了ERF的结构特征、生物学功能及表达调控机制。图1表1参77Abstract: As part of the AP2/ERF superfamily, ethylene response factors (ERF) enjoys a structure featured with an AP2 domain and conserved motifs with different functions outside the AP2 domain. With previous reseaches, ERF positively regulates plant resistance under stress, but it can also negatively regulate plant resistance for certain reasons. ERF regulates fruit ripening by regulating the changes of pigment and softening and controls the longevity of flowers and leaves by regulating the process of senescence and abscission. ERF is regulated by signal molecules to start transcription, and then regulated by other mechanisms to complete the expression. ERF can achieve a wide-range regulation of the downstream genes by regulating signal molecules. The interaction between ERF and protein enriches the way in which ERF regulates downstream genes. And this study, based on what has been previously researched, is aimed to conduct a review of the structural characteristics, biological functions and expression regulation mechanism of ERF so as to provide a reference for future studies on ERF. [Ch, 1 fig. 1 tab. 77 ref.]
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土壤是人类赖以生存的自然环境，也是农业生产的重要资源。然而，随着国民经济的加速发展，城市化、工业化进程的不断加快，农药、化肥的长期使用和污水灌溉等，农田土壤中的重金属不断累积，引发农田土壤重金属污染问题，导致农产品重金属积累和污染，并通过食物链进入人体，威胁人类的健康。农产品重金属污染问题变得越来越严峻[1-4]。土壤重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性的特点[5-6]，治理难度大。对土壤重金属污染状况进行监测，预防土壤重金属污染，开展土壤重金属污染农产品的风险评价极为重要，这也是国内外研究和社会关注的热点[7-9]。土壤重金属污染状况的正确评价可以为土壤安全利用、保障农产品安全生产及政府制定土壤保护政策等提供科学依据。评价土壤重金属污染的方法较多，常见的有内梅罗综合指数法、富集系数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等，迄今尚未形成一个成熟的方法和统一的标准[10-13]。水稻Oryza sativa是世界第二大粮食作物，也是中国第一大粮食作物。镉容易被水稻吸收，也是目前中国水稻生产中最主要的重金属污染元素[14]。在浙江省农产区不同土地利用类型中，稻田土壤中重金属平均含量最高[15]，但对稻米重金属污染状况的调查，特别是土壤和稻米协同采样的调查和污染评价研究却甚少[16]。嘉兴是浙江省杭嘉湖平原区重要产粮基地之一。已有文献报道：嘉兴市稻田土壤重金属总体状况良好，也存在着一些零星分布的土壤重金属超标区域，但尚未开展土壤-水稻系统协同采样和进行风险评价。基于此，本研究于2018年在水稻收获季，以已报道嘉兴市受重金属污染的稻田土壤区域及重点企业周边区域为主要对象，开展土壤-水稻样品协同采样，测定土壤和稻米中镉、铅、铬、砷等4种重金属元素质量分数，结合GB 15618−2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》、GB/T 36869−2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》和GB 2762−2017《食品中污染物限量》，对土壤重金属污染状况和对水稻安全生产的污染风险进行评价，旨在进一步保护和利用土壤，为今后嘉兴市水稻土质量安全管理和土壤重金属污染治理方案的确定提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
嘉兴市地处浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原腹地，30°21′~31°02′N，120°18′~121°06′E。全市现辖海宁、桐乡、平湖、海盐、嘉善5个县(市)和南湖、秀洲2个区，陆地总面积4275.05 km2，全市户籍人口352.12万人。该市地处北亚热带南缘，属东亚季风区，冬夏季风交替，四季分明，气温适中，雨水丰沛，日照充足，年平均气温15.9 ℃，年平均降水量1168.6 mm，年平均日照2 017.0 h。地势低平。土壤母质主要为浅海沉积物、河流冲积物及湖沼相沉积物。
1.2 土壤样品采集与处理
以公开报道的嘉兴市土壤重金属信息为导向，并结合实地咨询和调查，本研究试验区域覆盖重金属接近和达到污染的土壤，同时兼顾选取重点行业企业等污染源周围稻田土壤(疑似)，并开展土壤和水稻样品协同采集。采用全球定位系统(GPS)定位，于2018年10月水稻收获时期，采集稻田0~20 cm土层土样，同时采集对应的水稻籽粒样品。为确保样品的代表性，在每个取样点以周围5 m×5 m正方形范围内设置6~8个采样点。每个采样点取土约0.5 kg，均匀混合为1份，按四分法保留分析样品约1.0 kg。土壤样品自然风干后混匀磨碎，过2.00 mm筛，用以测定pH和重金属有效态质量分数；取其中一部分过0.15 mm筛，用以测定土壤有机质和重金属全量。水稻样品选取籽粒部分，以自来水冲洗和去离子水洗净，70 ℃烘干至恒量，脱壳粉碎后备用。
1.3 样品分析与测定
土壤重金属全量采用硝酸-盐酸-高氯酸(HNO3-HCl-HClO4)混合酸微波消解后测定；土壤重金属镉有效态采用0.1 mol·L−1盐酸提取剂提取后测定；水稻籽粒重金属采用硝酸微波消解后测定。待测液中的镉、铅采用石墨炉原子吸收光谱仪测定，铬采用火焰原子吸收光谱仪测定，砷采用原子荧光光谱仪测定。测定时均加入国家标准土壤标样和大米国家标准参比物分别进行质量控制，分析结果符合质量控制要求。土壤pH用pH计按水土比2.5∶1.0浸提测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[17]。
1.4 污染评价方法与标准
目前，对于重金属污染的评价方法有很多，根据评价结果反映的主体可分为2类: 以重金属元素为主体的评价方法和以采样点为主体的评价方法[18]。本研究主要选取以重金属元素为主体的评价方法，单因子指数法和内梅罗综合指数法、富集系数法和地累积指数法、潜在生态指数评价法和生态风险预警指数法对嘉兴市水稻土壤重金属污染及其生态危害做出定量评价和风险预估。
1.4.1 单因子污染指数评价法和内梅罗综合指数法
单因子污染指数法[19]针对土壤中单一污染物的污染程度进行评价。其计算公式为：
$${P_i} = {C_i}/{S_i}{\text{。}}$$ (1) 式(1)中：Pi为重金属元素i的污染指数；Ci为重金属元素i的实测质量分数(mg·kg−1)；Si为重金属元素i的评价标准(mg·kg−1)。Pi的分级标准参见文献[19]。
内梅罗综合污染指数法[19]是在单因子指数的基础上对重金属污染进行综合评价。其计算公式为：
$$ P=\sqrt{\frac{{P}_{i\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{2}+{P}_{i\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}}^{2}}{2}}{\text{。}}$$ (2) 式(2)中：P为土壤污染综合指数；Piave为土壤中各污染指数平均值；Pimax为土壤中各污染指数最大值。P的分级标准参见文献[19]。
1.4.2 富集系数法和地累积指数法
采用富集系数法[12]主要是评估和识别污染物来源。富集系数(E)的计算公式如下：
$$ E=\frac{({C}_{i}/{C}_{{\rm{n}}})_\mathrm{s}}{({C}_{i}/{C}_{{\rm{n}}})_{\rm{r}}}{\text{。}}$$ (3) 式(3)中：(Ci/Cn)s为土壤样品中重金属元素i与标准化元素n的测量质量分数比值，(Ci/Cn)r为土壤中重金属元素i与标准化元素n的背景值比。本研究选择锰为参比元素[20-21]。E值越大，富集程度就越高。E的分级标准参见文献[12]。
地累积指数(Igeo)法[12]被应用于人为活动产生的重金属对土壤污染的评价。Igeo的计算公式如下：
$$ {I}_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{o}}={\mathrm{log}}_{2}\left[\frac{{C}_{i}}{k {B}_{i}}\right]{\text{。}}$$ (4) 式(4)中：Igeo为地累积指数；Ci为重金属元素i的实测值(mg·kg−1)；Bi为重金属元素i的地球化学背景值(mg·kg−1)；k为考虑造岩运动导致重金属背景值存在差异而设定的系数，一般为1.5。Igeo的分级标准参见文献[12]。
1.4.3 潜在生态风险评价指数法和生态风险预警指数法
潜在生态风险采用Hakanson提出的生态风险指数法进行评价。潜在生态风险指数IR的计算公式如下：
$${F_{{\rm{r}}i}} = {C_i}/{C_{\rm{n}}}\text{；}$$ (5) $${E_{{\rm{r}}i}} = {T_{{\rm{r}}i}} {F_{{\rm{r}}i}}\text{；}$$ (6) $$ {I}_{\mathrm{R}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{E}_{\mathrm{r}i}\text{。} $$ (7) 式(5)~式(7)中：Ci为重金属元素i的实测值；Cn为重金属元素i的参比值(采用浙江省土壤环境背景值)[22]。Fri、Tri、Eri分别为第i种重金属污染系数、毒性响应系数和潜在生态危害指数。镉、铅、铬、砷的毒性响应系数分别为30、10、2、10[23]。潜在生态危害指数(Eri)越高，表明土壤受某个重金属污染的风险越高；IR被称为潜在生态风险指数，为多种重金属元素的潜在生态风险综合值，其值越大，土壤风险越高，据此可以根据Er和IR进行分类和风险评价[24]。
采用Rapan提出的生态风险预警指数(IER)对水稻土生态风险进行预警评估。IER的计算公式为：
$$ {I}_{\mathrm{E}\mathrm{R}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{I}_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}{i}}=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(\frac{{C}_{{\mathrm{A}}{i}}}{{C}_{{\mathrm{R}}{i}}-1}\right)\text{。} $$ (8) 式(8)中：IER为生态风险预警指数；IERi为重金属元素i的生态风险指数；CAi为重金属元素i的实测质量分数；CRi为重金属元素i的参比值。预警分级标准根据IER进行分类和风险评价[25]。
1.5 数据处理与分析
采用Excel 2018对土壤重金属进行描述性统计分析。采用SPSS 22.0进行Spearman相关性分析。数据统计图表的绘制由Excel 2018和Origin 11.0完成。
2. 结果与分析
2.1 土壤pH和有机质质量分数
土壤重金属的生物有效性受诸多因子的影响。在水稻生产上，土壤pH和有机质质量分数对土壤重金属有效性的影响极为重要。相同的重金属质量分数，土壤高pH、高有机质有利于重金属有效性的降低，抑制水稻吸收积累重金属，稻米重金属污染风险下降。因此，国家标准中将土壤pH和有机质质量分数状况列为2个参数，制定土壤中重金属元素镉、铅、铬、汞、砷的最大允许质量分数，其允许值(阈值)随土壤pH和有机质质量分数的提高而增大，如当pH＜5、有机质质量分数＜20 g·kg−1时，土壤镉的安全阈值定为0.2 mg·kg−1；而当土壤pH≥7、有机质质量分数≥20 g·kg−1时，土壤镉的安全阈值定为0.5 mg·kg−1(GB/T 36869−2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》)。调研结果显示：本研究所调查的水稻土土壤pH和有机质质量分数的变化都较大，土壤pH为5.0~8.0，pH相差达3个单位，而土壤有机质质量分数为6.8~61.0 g·kg−1，相差近10倍(表1)，因而，允许的土壤重金属阈值不同。
表 1 土壤pH和有机质状况Table 1 Soil pH and organic matter content项目 pH 有机质/(g·kg−1) 项目 pH 有机质/(g·kg−1) 最小值 4.96 6.84 标准差 0.74 14.43 最大值 7.99 60.97 变异系数/% 12.06 39.91 平均值 6.15 36.15 2.2 土壤和大米重金属质量分数状况
本研究所调查区域水稻土重金属质量分数变幅较大，因不同元素而异。测定结果及描述性统计分析见表2和表3。土壤镉、铅、铬、砷质量分数范围分别为0.01~1.92、17.60~34.80、47.00~123.00、3.97~9.89 mg·kg−1，平均分别为0.36、25.78、72.73、7.55 mg·kg−1。土壤重金属质量分数与浙江省土壤重金属背景值相比，镉、铅、铬、砷分别有68.18%、13.64%、22.73%、54.55%的样品超过浙江省土壤背景值；与土壤环境质量标准[GB 15618−2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》]中农用地土壤污染风险筛选值相比，只有部分稻田土壤镉质量分数有所超标，点位超标率为22.73%，但都低于风险管制值；与水稻安全生产标准(GB/T 36869−2018《水稻生产的土壤镉、铅、汞、砷安全阀值》)的土壤安全阈值相比，也只有镉质量分数超过规定限值，点位超标率为31.82%。
表 2 水稻土和稻米重金属质量分数Table 2 Contents of heavy metals in paddy soils and rice grains序号 土壤重金属/(mg·kg−1) 稻米镉/
(mg·kg−1)序号 土壤重金属(mg·kg−1) 稻米镉/
(mg·kg−1)镉 铅 铬 砷 镉 铅 铬 砷 1 1.07 28.00 69.00 6.86 0.056 12 0.17 27.70 68.00 7.47 0.024 2 0.14 25.60 68.00 7.69 0.006 13 0.01 24.90 123.00 7.30 0.029 3 0.22 23.80 78.00 7.53 0.019 14 0.17 22.20 65.00 6.95 0.045 4 0.09 19.90 69.00 7.64 0.004 15 0.11 27.30 69.00 7.63 0.061 5 0.45 17.60 63.00 6.92 0.024 16 0.15 27.60 73.00 7.98 0.026 6 0.30 27.90 67.00 8.35 0.015 17 0.09 23.30 59.00 5.89 0.005 7 0.27 29.40 90.00 9.64 0.041 18 0.56 23.90 61.00 6.56 0.030 8 0.24 29.10 69.00 7.85 0.018 19 0.09 20.30 73.00 7.86 0.028 9 0.17 34.20 64.00 7.40 0.009 20 0.33 23.80 98.00 8.19 0.025 10 0.47 34.80 73.00 9.89 0.051 21 0.18 21.00 47.00 3.97 0.049 11 0.29 24.10 61.00 8.13 0.009 22 1.92 30.70 93.00 8.49 0.062 表 3 水稻土重金属质量分数空间变异状况及超标率Table 3 Variation of heavy metal contents and exceeding standard rate in paddy soils重金属 重金属/(mg·kg−1) 标准差 变异系数/% 超标率Ⅰ/% 超标率Ⅱ/% 最小值 最大值 平均值 镉 0.01 1.92 0.36 0.41 120.10 31.82 22.73 铅 17.60 34.80 25.78 4.30 16.70 0 0 铬 47.00 123.00 72.73 15.66 21.53 0 0 砷 3.97 9.89 7.55 1.18 15.56 0 0 说明：超标率Ⅰ以水稻生产的安全阈值(GB/T 36869−2018)为参比值；超标率Ⅱ以风险筛选值(GB 15618−2018)为参比值。 变异系数可以反映一定区域内重金属元素的分布和污染程度的差异，变异系数越大代表元素质量分数差异越大、离散度越高，重金属质量分数受外界因素影响越大[26]。由表2可以看出：土壤重金属质量分数变异系数最大的是镉，达120.10%，表明土壤中镉的空间分布差异比较大，可能受人类活动及周边环境(企业工厂)的影响所致，其他重金属元素铅、铬、砷的变异系数都很小，为15.56%~21.53%，在空间上存在相似的污染程度。
表2与图1结果表明：除部分样点镉质量分数高于对应的风险筛选值和安全阈值外，土壤镉、铅质量分数水平均未超出对应安全阈值，说明被调查的土壤重金属污染(疑似)区域内水稻土虽然存在普遍的镉、铬、铅富集，但铬、铅未超出国家相关标准限值。土壤砷质量分数均低于水稻生产安全阈值和农用土壤污染风险筛选值。因此，对水稻安全生产而言，土壤镉累积现象最为凸显，可能会影响水稻的安全生产。
图 1 水稻土重金属质量分数分布箱线图Figure 1 Box plot of soil heavy metal content distribution in paddy soils虽然研究区域内有部分稻田土壤镉超过国家标准限值，但是稻米测定结果显示所采集的稻谷稻米镉质量分数为0.006~0.062 mg·kg−1，平均为0.029 mg·kg−1，均在安全范围以内，没有超过GB 2762–2017《食品中污染物限量》限额(0.200 mg·kg−1)。说明目前的土壤环境对所栽水稻品种是安全的。除了水稻自身因素外，稻米镉质量分数积累低还可能与重金属镉污染土壤的环境条件特别是土壤pH和有机质质量分数较高有关[27]。但是在本研究中，研究区稻米镉质量分数与土壤全量镉、有效态镉质量分数和土壤pH、有机质质量分数的相关性都不高，显示水稻土中全量镉、有效态镉、有机质质量分数和pH都不是影响稻米中镉质量分数高低的决定性因素(表4)。虽然稻米镉积累与有效态镉、有机质质量分数有一定的正相关性，而与pH呈负相关，但许多研究表明重金属的有效性会随着有机质的增加而降低[28]。说明稻米镉质量分数、土壤镉有效性与土壤环境条件关系复杂，同时这些结果还可能与水稻品种有关。因为水稻基因型是影响土壤-水稻系统中重金属的转移和生物利用度的主要因素，不同的水稻品种对土壤重金属的吸收、转移、富集能力不同，导致籽粒中重金属质量分数的差异。镉低积累水稻品种籽粒吸收积累镉少，在一定的土壤镉污染超标条件下，大米镉不会超标[19, 29]。
表 4 土壤全量镉、有效态镉、稻米镉和土壤pH、有机质的相关性分析Table 4 Correlation analysis of total soil Cd, available Cd, rice grain Cd, soil pH and SOM项目 土壤全量镉 土壤有效态镉 稻米镉 土壤pH 有机质 土壤全量镉 1 土壤有效态镉 0.508* 1 稻米镉 −0.090 0.138 1 pH 0.007 −0.169 −0.013 1 有机质 −0.233 −0.107 0.296 −0.306 1 说明：*表示在0.05水平上相关 2.3 水稻土重金属污染评价
2.3.1 单因子指数评价和内梅罗综合指数评价
以国家水稻生产的土壤安全阈值(GB/T 36869−2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》)为依据，计算研究区域水稻土土壤重金属的单项污染指数和综合污染指数。从表5可以看出：土壤重金属镉、铅、铬、砷的单项污染指数平均值分别为0.96、0.25、0.42、0.36。所有重金属单因子污染指数均小于1.00，属于清洁水平，说明研究区域水稻土处于安全水平。与稻米重金属质量分数测定结果一致。
表 5 水稻土重金属污染指数Table 5 Heavy metal pollution index of paddy soil统计指标 单因子污染指数 综合指数 镉 铅 铬 砷 最大值 3.84 0.46 0.82 0.52 2.84 最小值 0.04 0.09 0.24 0.20 0.28 平均值 0.96 0.25 0.42 0.36 0.81 标准差 0.84 0.10 0.12 0.08 0.57 变异系数/% 86.92 40.15 28.72 21.66 70.36 根据各重金属元素不同污染级别样点数占比可知(表6)，有68.18%的样点土壤镉单因子污染指数小于1.00，其余31.82%样点的土壤镉超标，其中轻度污染、中度污染、重度污染样点数分别占样点总数的22.73%、4.55%、4.55%。铅、铬、砷等3种元素的单因子污染指数全部都小于1.00，不存在污染情况。由此，镉是4种元素中积累最为严重的重金属元素。从内梅罗综合指数(表5和表6)看，研究区域土壤镉、铅、铬、砷重金属综合指数为0.28~2.84，各点位差异较明显。所有点位中63.64%的样点综合污染指数均小于0.70，也说明嘉兴市水稻土环境状况整体良好。处于警戒线的占13.64%，受污染的占22.72%，其中轻度污染的占18.18%，中度污染的占4.54%，无重度污染。对于处于警戒线，特别是部分已处于中、轻度污染的土壤应当引起高度重视。
表 6 基于污染指数法重金属污染程度占比Table 6 Proportion of heavy metal pollution based on pollution index method单因子指数 污染等级 各污染等级点位占比/% 综合指数 污染等级 各污染等级
点位占比/%镉 铅 铬 砷 P≤1 清洁 68.18 100 100 100 Pi≤0.7 安全 63.64 1＜P≤2 轻度污染 22.72 0 0 0 0.7＜ Pi≤1.0 警戒 13.64 2＜P≤3 中度污染 4.55 0 0 0 1.0＜ Pi≤2.0 轻度污染 18.18 P＞3 重度污染 4.55 0 0 0 2.0＜ Pi≤3.0 中度污染 4.54 2.3.2 富集系数评价和地累积指数评价
以浙江省土壤背景值作为依据，以锰元素作为校准元素进行对比，计算富集系数。对4种重金属元素的富集系数(E)进行分析比较(表7)，可以得出：4种重金属元素富集程度从大到小依次为镉、砷、铬、铅。铅、铬、砷区域富集污染程度为Ⅱ级，属于轻微富集、轻微污染；镉区域富集污染程度为Ⅲ级，属于中度富集、中度污染。镉、铅、铬、砷分别有18.18%、36.36%、27.27%、13.64%的采样点呈现无富集、无污染状态；分别有31.82%、59.09%、68.18%、81.82%的采样点表现为重金属轻微富集、轻微污染；分别有31.82%、4.55%、4.55%、4.55%的采样点表现为重金属中度富集、中度污染；还有18.18%的样点存在镉元素显著富集、强污染。
表 7 水稻土重金属元素富集系数和地累积指数评价特征值统计Table 7 Evaluation eigen value statistics of heavy metal element enrichment coefficient and geoaccumulation idex in paddy soil重金属 E E≤1 1＜E≤2 2＜E≤5 5＜E≤20 20＜E≤40 变化范围 平均值 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 镉 0.10~9.86 2.81 4 18.18 7 31.82 7 31.82 4 18.18 0 0 铅 0.60~2.13 1.23 8 36.36 13 59.09 1 4.55 0 0 0 0 铬 0.84~2.40 1.33 6 27.27 15 68.18 1 4.55 0 0 0 0 砷 0.87~2.13 1.41 3 13.64 18 81.82 1 4.55 0 0 0 0 重金属 Igeo Igeo≤0 0＜Igeo≤1 1＜Igeo≤2 2＜Igeo≤3 3＜Igeo≤4 变化范围 平均值 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 样品数/个 比率/% 镉 −4.51~3.07 −0.11 12 54.55 6 27.27 2 9.09 1 4.55 1 4.55 铅 −1.37~−0.39 −0.84 22 100.00 0 0 0 0 0 0 0 0 铬 −1.31~0.08 −0.71 21 95.45 1 4.55 0 0 0 0 0 0 砷 −1.52~−0.20 −0.61 22 100.00 0 0 0 0 0 0 0 0 仍以浙江省土壤背景值进行参比。4种重金属的地累积指数法统计结果如表7所示。可以看出：4种元素Igeo从大到小依次为镉、砷、铬、铅。在所有样点中，砷、铅的地累积指数均小于0，呈现无富集无污染状态。污染最严重的重金属为镉，其平均地累积指数为−0.11，处于轻微污染的边界。但是各样点指数差异悬殊，特别是镉，在研究区中仅有54.55%的样点处于无富集、无污染状态，27.27%的样点处于轻微富集状态，9.09%的样点处于中度富集状态，4.55%的样点处于中强富集状态，4.55%的样点处于强富集状态。总体而言，该地区在人类生产、生活活动的影响下，镉元素积累明显，富集程度高；个别样点存在镉元素轻微富集污染，其他元素富集污染程度均为无污染。
2.3.3 稻田土壤中重金属潜在生态风险评价分析
以水稻生产的土壤安全阈值(GB/T 36869−2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》)指标为参比值，根据生态风险划分标准，对水稻土重金属污染进行潜在生态风险评价，评价结果(表8)显示：研究区域水稻土不同重金属单项潜在生态危害指数(Er)平均值从大到小表现为镉、砷、铅、铬。所有样点铅、铬、砷的潜在生态风险指数(IR)均小于40，处于轻微风险水平。土壤镉的潜在生态危害程度最高，平均值为28.83，生态危害系数变化幅度大，最高值为115.2，最低值为1.2，变异系数为86.92%。达到中等、较强生态危害的样点数分别占样点总数的18.18%、4.55%。土壤重金属综合潜在生态风险指数(IR)变化范围为9.08~121.36，平均值为35.73，变异系数为70.01%，呈现轻微生态风险水平，主要贡献因子是镉。从变异系数可以看出：研究区域内生态危害分布差异性大。但是所有样点的IR均小于150，全部样点均处于轻微生态风险水平。而土壤生态风险预警指数(IER)变化范围为−2.97~0.73，平均值为−2.01，处于无风险至预警级，仅有1个样点最大的IER为0.73，也在轻度预警级别。因此，采用潜在生态风险评价指数法和生态风险预警指数法都表明：研究区土壤重金属处于安全级别，污染风险较小。
表 8 水稻土重金属潜在生态风险评价Table 8 Potential ecological risk assessment of heavy metals in paddy soil统计指标 潜在生态危害指数(Er) 潜在生态风险
指数(IR)土壤生态风险
预警指数(IER)镉 铅 铬 砷 最大值 115.20 4.56 1.64 5.24 121.36 0.73 最小值 1.20 0.90 0.48 1.99 9.08 −2.97 平均值 28.83 2.47 0.84 3.58 35.72 −2.01 标准差 25.06 0.99 0.24 0.78 25.02 0.83 变异系数/% 86.92 40.15 28.72 21.66 70.01 −41.15 采用不同的方法对研究区域稻田土壤重金属污染风险评价的结果都表明：研究区域总体上处于安全水平；就单个重金属而言，土壤铅、铬、砷属于没有污染风险或轻微风险水平，而镉在某些点位稻田土壤中呈显著富集、轻中度污染，对水稻安全生产构成一定的风险。本研究协同采样测定结果显示：稻米各项指标均符合国家粮食安全标准(GB 2762−2017《食品中污染物限量》)。考虑到不同水稻品种对土壤镉吸收积累的差异，以及土壤环境条件特别是pH易受人为施肥管理等措施的影响，对土壤镉质量分数较高的点位，在今后的水稻生产管理中需要加强动态监测，关注土壤镉形态转化和有效性的变化，以保障水稻粮食生产安全[26, 28]。
3. 结论
采用多种方法对研究区域稻田土壤重金属污染风险进行评价，结果显示：研究区域水稻土壤总体上处于安全水平。协同采样测定结果显示：稻米各项指标均符合国家粮食安全标准(GB 2762−2017《食品中污染物限量》)。
采用E和Igeo的评价结果均得出4种元素富集程度从大到小依次为镉、砷、铬、铅，潜在生态危害由强至弱依次为镉、砷、铅、铬。研究区内镉富集(污染)最为明显，个别样点存在镉元素中轻度污染，镉是当前最主要的生态风险因子。
目前的土壤环境对当地的水稻栽培品种来说是安全的。在今后的水稻生产管理中仍需加强动态监测，关注土壤镉形态转化和有效性的变化，充分保障水稻粮食生产安全。
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表 1 ERF的功能
Table 1. Function of ERF
植物 ERFs 目的基因及调控方式 目的基因说明 效果 拟南芥 ERF4 CAT3 过氧化氢酶，ROS清除酶系统之一 根据ERF4形态不同，调控的效果不同[13] 拟南芥 ERF96 上调PDF1.2a、PR-3/4和ORA59 生物胁迫抵御基因，ORA59为转录
因子增强植物对病原体抗性[17] 拟南芥 ERF74 上调RbohD 呼吸暴发氧化酶，增加活性氧的产量 启动胁迫初期活性氧暴发，增强信号传导[18] 拟南芥 Ⅸb组ERF 上调CYP81F2 杀菌剂吲哚类硫苷合成关键酶 增加吲哚类硫苷合成，减少植物间真菌传播[19] 拟南芥 WRI4 上调LACS1、KCR1、PAS2、ECR和WSD 参与表皮蜡质合成 增加蜡质合成，保护植物受逆境伤害[20] 拟南芥 RAP2.2和RAP2.12 上调LBD41和PCO1 低氧响应蛋白质 受低氧胁迫诱导，保持低氧应答基因在低氧环境下的稳定[21] 拟南芥 AtERF72 下调IRT1、HA2和上调CLH1 IRT1、HA2铁吸收，CLH1叶绿素降解 受缺铁环境诱导，起到负调控效果[22] 苹果 MdERF2 上调MdACS3a 果实成熟过程中乙烯合成关键酶基因 进一步促进乙烯生成[23] 苹果 MdERF4 下调MdERF3 转录因子，响应盐胁迫并提高盐胁迫抗性 削弱植物对盐胁迫抗性[24] 水稻 OsERF71 上调OsXIP 抑制微生物来源的木聚糖酶 增强植物抗性[25] 芜菁 BrERF72 上调BrLOX4、BrAOC3和BrOPR3 参与茉莉酸合成 加速叶片衰老[26] 番茄 JRE4 上调DWF5和GAME4 甾醇还原酶和配糖生物碱代谢相关 促进糖苷生物碱的合成[27] 番茄 ERF68 上调COPA、Sw-5a、AOS和
下调CAB参与细胞程序性死亡 促进细胞程序性死亡，防止病原体扩散[28] 月季 RhERF1和RhERF4 下调RhBGLA1 β-半乳糖苷酶，加速花瓣脱落 防止花瓣脱落[29] 罂粟 PsAP2 上调AOX1a 抗氧化酶之一 增强植株的ROS清除能力[30] 碧冬茄 PhERF2 上调ADH1-2 乙醇脱氢酶 提高植物对水淹抗性[31] 山葡萄 VaERF092 上调VaWRKY33 转录因子，调控胁迫相关基因 增强植物对低温的抗性[32] 小果野蕉 MaERF10 下调MaLOX7/8、MaAOC3和MaOPR4 参与茉莉酸合成 抑制茉莉酸信号，增强冷害[33] 小果野蕉 MaDEAR1 下调MaEXP1/3、MaPG1、MaXTH10、MaPL3和MaPME3 修饰细胞壁，与果实软化有关的基因 防止果实过早软化[34] 甜橙 CitERF13 上调CitPPH和CitNYC 参与叶绿素降解 加速果实褪绿[35] 甜橙和椪柑 CitERF6 上调CitPPH 参与叶绿素降解 加速果实褪绿[35] 桃子 PpeERF2 下调PpeNCED2/3和PpePG1 ABA合成与细胞壁降解 防止果实过快软化[36] 番木瓜 CpERF9 下调CpPME1/2和CpPG5 细胞壁降解 防止果实过早软化[37] 枇杷 EjERF39 Ej4CL1 木质素合成基因 促进果实木质化[38] 说明：苹果Malus domestica、芜菁Brassica rapa、月季Rosa chinensis、罂粟Papaver somniferum、碧冬茄Petunia×hybrida、山葡萄 Vitis amurensis、小果野蕉Musa acuminata、甜橙Citrus sinensis、椪柑Citrus reticulata、桃Amygdalus persica、番木瓜Carica papaya、枇杷Eriobotrya japonica 
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