錳脅迫對商陸生長和吸收鈣、鎂、鐵、鋅二價離子的影響

段海風(fēng)，劉四喜，郭志強，韓 寧，蘇 益

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

錳是植物必需的微量元素之一，其在植物光合電子傳遞鏈中發(fā)揮了不可或缺的作用。錳同時也是一種重金屬，過多的錳會造成離子脅迫，嚴(yán)重影響植物的生長。商陸（Phytolacca acinosa Roxb.）是商陸科商陸屬多年生草本宿根藥用植物。商陸皂苷具有強大的抗炎、免疫增強、抗腫瘤等重要作用[1]。商陸抗病毒蛋白（PAP）在植物病害防治方面有重要的應(yīng)用[2-4]，其在治療艾滋病、乙型肝炎和腎炎等疾病中也有重要作用[1，5-6]。更重要的是，商陸具有重金屬超富集能力，對鎘、鋅、錳等重金屬離子有很好的富集作用[7-10]。目前，研究人員在商陸錳的超積累和錳脅迫對商陸生理生化指標(biāo)的影響方面做了大量的研究[11-16]，商陸錳耐受生理機制也基本清晰[16]，但由于離子之間存在的相互作用，錳的積累（或超積累）對商陸其他離子特別是二價離子的吸收轉(zhuǎn)運的影響研究還未見報道。本試驗通過用水培的方法測定商陸對錳離子的凈化效率，為在實際生活中采用生物法治理錳離子污染提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。研究錳脅迫下商陸對其他金屬離子吸收的影響，有利于更好地理解離子之間的相互作用機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

商陸種子采自瀏陽河邊，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物激素與生長發(fā)育湖南省重點實驗室溫室進(jìn)行種植和繁殖。

1.2 試驗方法

1.2.1 商陸幼苗的獲得 先用濃硫酸將商陸種子浸泡10～15min，后除去濃硫酸并洗凈，25℃左右暗培養(yǎng)2～3 d；種子萌發(fā)后在25℃光照16 h—黑暗8 h的條件下進(jìn)行砂培，生長至3～4 cm時移栽。

1.2.2 商陸的培養(yǎng)和處理 選取生長一致的商陸幼苗，移栽到裝有1.4 L Hoagland營養(yǎng)液的盆中，保持24 h持續(xù)通氣。待商陸幼苗恢復(fù)旺盛生長后，向培養(yǎng)液中加入固體MnCl2，攪拌使其充分溶解，Mn2+終 濃 度 分 別 為 0.01、0.1、0.5、1.0、10 和 20 mmol/L，每個濃度2盆，每盆8棵商陸。每3 d用Hoagland營養(yǎng)液補足培養(yǎng)液至1.4 L。

1.2.3 形態(tài)指標(biāo)測量 在每一株商陸近身處插入標(biāo)尺，觀測商陸每天的生長情況，每3 d讀取一次株高。

1.2.4 取樣和灰化 商陸根、莖、葉分開取樣，105℃下殺青，80℃下烘干至恒重，置干燥器內(nèi)保存。干樣磨碎后置馬弗爐灰化：200℃下碳化30 min，550℃焚燒直至恒重。然后用1.25mL 50%的鹽酸溶解灰分，過濾后用0.5%稀鹽酸定容。

1.2.5 離子含量檢測 用IRIS InterpidⅡXPS全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國熱電公司）測定樣品溶液中各金屬離子的含量[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2003和DPS數(shù)據(jù)處理軟件處理各種數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳在商陸植株根莖葉中的積累特性

利用不同濃度的錳離子處理商陸，商陸根莖葉對錳的積累效應(yīng)不一致（見圖1）。隨著錳離子濃度的增加，商陸根、莖、葉各部分錳的含量都持續(xù)升高，但是在低錳濃度（≤0.1mmol/L）下，商陸根莖葉對錳的積累很少，葉中的錳含量稍高，根莖中錳含量差異并不顯著。當(dāng)錳濃度大于0.1mmol/L時，葉片中迅速大量積累錳元素，根和莖中錳積累有所延后，說明商陸根吸收錳后會很快轉(zhuǎn)運到葉片中，商陸中錳的主要積累部位為葉片。

圖1 商陸植株根莖葉中錳離子的積累特性

總體看，商陸植株中錳的含量依次為葉>根>莖。植物儲存礦質(zhì)元素地點主要在薄壁細(xì)胞，而商陸莖由于木質(zhì)化以及作為礦質(zhì)元素運輸通道的原因，薄壁細(xì)胞減少，因此商陸莖中錳積累較少。商陸根中錳含量開始較少，只有在高濃度錳處理下，由于葉片的錳積累趨于飽和時，商陸根對錳的積累才會與葉的積累相近。另外，本研究中，商陸根和葉中的最高錳含量達(dá)到干物質(zhì)重的2.2%（見圖1）。

2.2 錳對商陸生長的影響

由圖2可知，商陸的生長速度隨著錳離子濃度的增加先增加后減小，但在錳濃度≤10 mmol/L時商陸的生長速度仍大于空白對照組；商陸的生長速度在0.1 mmol/L處達(dá)到最大值3.6 mm/d。通常情況下，離子脅迫會嚴(yán)重影響植物生長，可能造成植物早花、植株矮小、生物量降低等后果，甚至導(dǎo)致死亡。然而，本研究的結(jié)果表明商陸在10 mmol/L Mn2+濃度下都能正常生長（見表1），只有在20 mmol/L Mn2+濃度下才出現(xiàn)了輕微的脅迫癥狀：株高變矮，少量葉片邊緣變黃。這與前人研究商陸是一種錳超積累植物且具有很高的錳耐受性結(jié)果一致。

圖2 不同濃度錳離子對商陸植株生長速度的影響

表1 不同濃度錳離子對商陸株高的影響

2.3 錳脅迫對商陸吸收其他二價金屬離子的影響

2.3.1 錳脅迫對商陸吸收鈣離子的影響 圖3可見：未經(jīng)錳處理的商陸體內(nèi)鈣離子分布為莖>葉>根。隨著錳離子濃度的升高，商陸根部鈣離子含量先稍升高而后降低，莖、葉部分呈先減少后增加的趨勢，在20 mmol/L濃度處莖的鈣離子含量大幅度增加。說明高濃度錳抑制商陸對鈣離子的吸收，促使鈣離子在莖中積累。

圖3 錳脅迫對商陸吸收鈣離子的影響

2.3.2 錳脅迫對商陸吸收鎂離子的影響 圖4可見：未經(jīng)錳離子處理的商陸體內(nèi)鎂離子分布為根>葉>莖。隨著錳離子濃度的升高，商陸根部鎂離子含量呈減少趨勢，而莖、葉部分呈先減少后增加的趨勢。說明高濃度的錳抑制商陸對鎂離子的吸收。

圖4 錳脅迫對商陸吸收鎂離子的影響

2.3.3 錳脅迫對商陸吸收鐵離子的影響 圖5可見：未經(jīng)錳離子處理的商陸體內(nèi)鐵離子分布為根>莖>葉。隨著錳離子濃度的升高，商陸根部鐵離子含量呈增加趨勢，而莖、葉部分呈先減少后增加的趨勢。說明高濃度的錳促進(jìn)商陸對鐵離子的吸收。

圖5 錳脅迫對商陸吸收鐵離子的影響

2.3.4 錳脅迫下商陸對吸收鋅離子的影響 圖6可見：未經(jīng)錳離子處理的商陸體內(nèi)鋅離子分布為根>葉>莖。隨著錳離子濃度的升高，商陸根部鋅離子含量呈先減小后增加的趨勢，而莖、葉部分呈增加的趨勢。說明高濃度的錳促進(jìn)商陸對鋅離子的吸收。

圖6 錳脅迫對商陸吸收鋅離子的影響

3 小結(jié)與討論

3.1 商陸是一種對錳具有高吸收特性和耐受性的植物

植物對重金屬的超積累一般具有以下幾個公認(rèn)的特征：（l）體內(nèi)某一重金屬元素含量應(yīng)大于一定的臨界值。如以干重算Cd≥0.01%、Pb≥0.1%、Mn或Zn≥1%；（2）植物根攝入的重金屬大部分分布在地上部分，特別是葉中，即植物地上部分金屬含量與地下部分金屬含量的比值大于1；（3）在一定程度的重金屬污染的土壤上，這類植物能進(jìn)行良好的生長發(fā)育，一般不會發(fā)生毒害現(xiàn)象。由圖1、圖2和表1可以看出，在高濃度（20 mmol/L）Mn2+處理下，商陸生長較正常，葉片和根中Mn2+含量都超過了2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了超積累植物的基本標(biāo)準(zhǔn)，本研究進(jìn)一步證明了商陸對錳具有很強耐受性和超累積特性，這與Xue等[18-19]的研究一致。另外，由于商陸為多年生植物且生長迅速，其可以成為治理錳污染土壤的高效和可持續(xù)的修復(fù)植物。

3.2 商陸通過競爭關(guān)系影響其他離子吸收

根系吸收能力決定了超積累植物富集重金屬的能力。錳等重金屬離子可以通過質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系。由于細(xì)胞膜的選擇通透性，離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)了錳等重金屬離子的攝入，在金屬離子化合價態(tài)相同的情況下（如都為一價或二價），許多離子通道和轉(zhuǎn)運體都是通用型，如一價的鈉離子和鉀離子有共同的轉(zhuǎn)運體HKT和HAK[20-21]等，二價的離子有共同的轉(zhuǎn)運體 CAX、CDF、NRAMP1等[22-25]。也正是由于植物共用某些相同的離子通道和轉(zhuǎn)運體，植物在吸收和轉(zhuǎn)運金屬離子時，離子之間勢必會產(chǎn)生競爭抑制或促進(jìn)作用。如Salt等[26]在研究印度芥菜（Brassica juneea）細(xì)胞對鎘的積累機理和調(diào)控方式時發(fā)現(xiàn)鈣、鋅和錳對地上部鎘的積累有競爭性抑制，對根系鎘的積累有非競爭性抑制。本研究發(fā)現(xiàn)高濃度的錳抑制商陸對鈣離子、鎂離子的吸收，這可能是它們競爭某些通用型的離子通道或轉(zhuǎn)運體所致；但是同時錳能促進(jìn)商陸對鐵離子、鋅離子的吸收。如此看來，錳與其他離子之間互相影響的關(guān)系比較復(fù)雜，要了解其真正的機制還需要進(jìn)行深入研究并從分子生物學(xué)層面加以闡明。

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