锰胁迫对商陆生长和吸收钙、镁、铁、锌二价离子的影响

段海风，刘四喜，郭志强，韩 宁，苏 益

（湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

锰是植物必需的微量元素之一，其在植物光合电子传递链中发挥了不可或缺的作用。锰同时也是一种重金属，过多的锰会造成离子胁迫，严重影响植物的生长。商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）是商陆科商陆属多年生草本宿根药用植物。商陆皂苷具有强大的抗炎、免疫增强、抗肿瘤等重要作用[1]。商陆抗病毒蛋白（PAP）在植物病害防治方面有重要的应用[2-4]，其在治疗艾滋病、乙型肝炎和肾炎等疾病中也有重要作用[1，5-6]。更重要的是，商陆具有重金属超富集能力，对镉、锌、锰等重金属离子有很好的富集作用[7-10]。目前，研究人员在商陆锰的超积累和锰胁迫对商陆生理生化指标的影响方面做了大量的研究[11-16]，商陆锰耐受生理机制也基本清晰[16]，但由于离子之间存在的相互作用，锰的积累（或超积累）对商陆其他离子特别是二价离子的吸收转运的影响研究还未见报道。本试验通过用水培的方法测定商陆对锰离子的净化效率，为在实际生活中采用生物法治理锰离子污染提供理论依据和指导意义。研究锰胁迫下商陆对其他金属离子吸收的影响，有利于更好地理解离子之间的相互作用机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

商陆种子采自浏阳河边，在湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室温室进行种植和繁殖。

1.2 试验方法

1.2.1 商陆幼苗的获得 先用浓硫酸将商陆种子浸泡10～15min，后除去浓硫酸并洗净，25℃左右暗培养2～3 d；种子萌发后在25℃光照16 h—黑暗8 h的条件下进行砂培，生长至3～4 cm时移栽。

1.2.2 商陆的培养和处理 选取生长一致的商陆幼苗，移栽到装有1.4 L Hoagland营养液的盆中，保持24 h持续通气。待商陆幼苗恢复旺盛生长后，向培养液中加入固体MnCl2，搅拌使其充分溶解，Mn2+终 浓 度 分 别 为 0.01、0.1、0.5、1.0、10 和 20 mmol/L，每个浓度2盆，每盆8棵商陆。每3 d用Hoagland营养液补足培养液至1.4 L。

1.2.3 形态指标测量 在每一株商陆近身处插入标尺，观测商陆每天的生长情况，每3 d读取一次株高。

1.2.4 取样和灰化 商陆根、茎、叶分开取样，105℃下杀青，80℃下烘干至恒重，置干燥器内保存。干样磨碎后置马弗炉灰化：200℃下碳化30 min，550℃焚烧直至恒重。然后用1.25mL 50%的盐酸溶解灰分，过滤后用0.5%稀盐酸定容。

1.2.5 离子含量检测 用IRIS InterpidⅡXPS全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（美国热电公司）测定样品溶液中各金属离子的含量[17]。

1.3 数据处理

运用Excel 2003和DPS数据处理软件处理各种数据。

2 结果与分析

2.1 锰在商陆植株根茎叶中的积累特性

利用不同浓度的锰离子处理商陆，商陆根茎叶对锰的积累效应不一致（见图1）。随着锰离子浓度的增加，商陆根、茎、叶各部分锰的含量都持续升高，但是在低锰浓度（≤0.1mmol/L）下，商陆根茎叶对锰的积累很少，叶中的锰含量稍高，根茎中锰含量差异并不显著。当锰浓度大于0.1mmol/L时，叶片中迅速大量积累锰元素，根和茎中锰积累有所延后，说明商陆根吸收锰后会很快转运到叶片中，商陆中锰的主要积累部位为叶片。

图1 商陆植株根茎叶中锰离子的积累特性

总体看，商陆植株中锰的含量依次为叶>根>茎。植物储存矿质元素地点主要在薄壁细胞，而商陆茎由于木质化以及作为矿质元素运输通道的原因，薄壁细胞减少，因此商陆茎中锰积累较少。商陆根中锰含量开始较少，只有在高浓度锰处理下，由于叶片的锰积累趋于饱和时，商陆根对锰的积累才会与叶的积累相近。另外，本研究中，商陆根和叶中的最高锰含量达到干物质重的2.2%（见图1）。

2.2 锰对商陆生长的影响

由图2可知，商陆的生长速度随着锰离子浓度的增加先增加后减小，但在锰浓度≤10 mmol/L时商陆的生长速度仍大于空白对照组；商陆的生长速度在0.1 mmol/L处达到最大值3.6 mm/d。通常情况下，离子胁迫会严重影响植物生长，可能造成植物早花、植株矮小、生物量降低等后果，甚至导致死亡。然而，本研究的结果表明商陆在10 mmol/L Mn2+浓度下都能正常生长（见表1），只有在20 mmol/L Mn2+浓度下才出现了轻微的胁迫症状：株高变矮，少量叶片边缘变黄。这与前人研究商陆是一种锰超积累植物且具有很高的锰耐受性结果一致。

图2 不同浓度锰离子对商陆植株生长速度的影响

表1 不同浓度锰离子对商陆株高的影响

2.3 锰胁迫对商陆吸收其他二价金属离子的影响

2.3.1 锰胁迫对商陆吸收钙离子的影响 图3可见：未经锰处理的商陆体内钙离子分布为茎>叶>根。随着锰离子浓度的升高，商陆根部钙离子含量先稍升高而后降低，茎、叶部分呈先减少后增加的趋势，在20 mmol/L浓度处茎的钙离子含量大幅度增加。说明高浓度锰抑制商陆对钙离子的吸收，促使钙离子在茎中积累。

图3 锰胁迫对商陆吸收钙离子的影响

2.3.2 锰胁迫对商陆吸收镁离子的影响 图4可见：未经锰离子处理的商陆体内镁离子分布为根>叶>茎。随着锰离子浓度的升高，商陆根部镁离子含量呈减少趋势，而茎、叶部分呈先减少后增加的趋势。说明高浓度的锰抑制商陆对镁离子的吸收。

图4 锰胁迫对商陆吸收镁离子的影响

2.3.3 锰胁迫对商陆吸收铁离子的影响 图5可见：未经锰离子处理的商陆体内铁离子分布为根>茎>叶。随着锰离子浓度的升高，商陆根部铁离子含量呈增加趋势，而茎、叶部分呈先减少后增加的趋势。说明高浓度的锰促进商陆对铁离子的吸收。

图5 锰胁迫对商陆吸收铁离子的影响

2.3.4 锰胁迫下商陆对吸收锌离子的影响 图6可见：未经锰离子处理的商陆体内锌离子分布为根>叶>茎。随着锰离子浓度的升高，商陆根部锌离子含量呈先减小后增加的趋势，而茎、叶部分呈增加的趋势。说明高浓度的锰促进商陆对锌离子的吸收。

图6 锰胁迫对商陆吸收锌离子的影响

3 小结与讨论

3.1 商陆是一种对锰具有高吸收特性和耐受性的植物

植物对重金属的超积累一般具有以下几个公认的特征：（l）体内某一重金属元素含量应大于一定的临界值。如以干重算Cd≥0.01%、Pb≥0.1%、Mn或Zn≥1%；（2）植物根摄入的重金属大部分分布在地上部分，特别是叶中，即植物地上部分金属含量与地下部分金属含量的比值大于1；（3）在一定程度的重金属污染的土壤上，这类植物能进行良好的生长发育，一般不会发生毒害现象。由图1、图2和表1可以看出，在高浓度（20 mmol/L）Mn2+处理下，商陆生长较正常，叶片和根中Mn2+含量都超过了2%，远远超过了超积累植物的基本标准，本研究进一步证明了商陆对锰具有很强耐受性和超累积特性，这与Xue等[18-19]的研究一致。另外，由于商陆为多年生植物且生长迅速，其可以成为治理锰污染土壤的高效和可持续的修复植物。

3.2 商陆通过竞争关系影响其他离子吸收

根系吸收能力决定了超积累植物富集重金属的能力。锰等重金属离子可以通过质外体和共质体途径进入根系。由于细胞膜的选择通透性，离子通道和转运蛋白介导了锰等重金属离子的摄入，在金属离子化合价态相同的情况下（如都为一价或二价），许多离子通道和转运体都是通用型，如一价的钠离子和钾离子有共同的转运体HKT和HAK[20-21]等，二价的离子有共同的转运体 CAX、CDF、NRAMP1等[22-25]。也正是由于植物共用某些相同的离子通道和转运体，植物在吸收和转运金属离子时，离子之间势必会产生竞争抑制或促进作用。如Salt等[26]在研究印度芥菜（Brassica juneea）细胞对镉的积累机理和调控方式时发现钙、锌和锰对地上部镉的积累有竞争性抑制，对根系镉的积累有非竞争性抑制。本研究发现高浓度的锰抑制商陆对钙离子、镁离子的吸收，这可能是它们竞争某些通用型的离子通道或转运体所致；但是同时锰能促进商陆对铁离子、锌离子的吸收。如此看来，锰与其他离子之间互相影响的关系比较复杂，要了解其真正的机制还需要进行深入研究并从分子生物学层面加以阐明。

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