超富集植物垂序商陆的锰吸收动态研究

薛生国，刘丰豪，吴川，黄艳红，吴超

(1. 中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083;2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

在植物生长发育过程中，微量元素具有极其重要的作用。锰是植物生长必需的微量营养元素之一，它可提高碳水化合物的同化作用和呼吸强度，促进酶的活性，影响氮的代谢[1]。它在植物体中含量过高或过低，都将制约植物生长。在正常情况下，植物对 Mn的吸收主要为受代谢控制的主动吸收过程。Mn2+是植物吸收锰的主要形态，此外，还有植物和微生物来源的含锰络合物和螯合物。Sadana等[2]的研究表明：控制植物吸收锰的主要因素是生长介质中锰的初始浓度、最大吸收速率和米氏常数等。植物吸收Mn的速率不仅受环境因素(如生长介质中Mn的含量、温度、pH等)的影响，而且与植物的生长发育状况(如生育期和代谢强度等)密切相关，这些因素之间的关系错综复杂，共同影响着植物对 Mn2+吸收和积累。垂序商陆(Phytolacca americana Linn.)属于商陆科多年生草本植物，是一种生物量大、生长快、地理分布广、适应性强的锰超富集植物[3−5]，不仅具有极强的耐高锰胁迫能力，还具有很强的吸收和运输锰的能力，其地上部分(叶片、茎)锰浓度大于根系的浓度，锰耐性和超富集能力可能是其固有特性，不同种群之间差异甚小[6]，这为探讨锰在植物体中的超富集机理和锰污染土壤和水体的植物修复提供了一种新的种质资源。目前，对锰超富集植物研究报道较少[4,6−11]，影响垂序商陆锰吸收和积累过程的内外因素并不十分清楚。多种因素影响植物对元素的吸收，如光照、温度、水分、pH、生长介质中的元素含量，在此，本文作者拟采用温室试验，研究温室培养条件和不同锰浓度下垂序商陆的锰吸收动态及锰胁迫水平对其吸收和积累锰的影响，揭示超富集植物垂序商陆对锰的吸收和积累特性，以期为开发利用该植物修复锰污染环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

超富集植物垂序商陆的种子采自湖南省湘潭锰尾矿废弃地成熟的植株。

1.2 温室试验

人工智能温室内控制植物生长环境：14 h光照，温度为 25 ℃(白天)/20 ℃(晚上)，相对湿度为 70%～75%。将垂序商陆种子播于消毒的沙基质，萌芽后选取生长一致的垂序商陆幼苗，依次在0.25 Hoagland营养液和0.50 Hoagland营养液预培养15 d，移至外壁涂黑的塑料桶，在不同锰浓度条件下进行锰吸收试验。Mn2+以MnCl2·4H2O形态加入，每个处理设3个重复。短期锰吸收动态(48 h)设定2种处理方式，即Mn2+的浓度分别为0.2和5.0 mmol/L,分别于0，2，4，8，16，32和48 h取样；长期锰吸收动态(45 d)设定2种处理方式，即Mn2+的浓度分别为0.5和5 mmol/L，分别于第0，5，15，25，35和45天取样。另外，设定8种处理方式，即Mn2+的浓度分别为0.005 (CK)，0.5，1.0，2.0，5.0，8.0，10.0和12.0 mmol/L，分别于第0，5，15，25，35和45 天取样，研究不同锰浓度下垂序商陆锰积累的动态变化。样品根部用流动的自来水冲洗10 min，再用去离子水冲洗3次，用吸水纸把表面水吸干。将样品分为根、茎、叶，测定各部分质量。将新鲜样品放在105 ℃的烘箱内保持30 min，然后在70℃下烘48 h，测定植物各部分干物质量；最后用不锈钢粉碎机磨细，过孔径为0.38 mm尼龙网筛，供分析测定用。

1.3 植物样品分析

称取烘干植物样品约0.15 g，采用湿法消化(混合酸 15 mL HNO3+5 mL HCl+2 mL HClO4)，用 ICP/OES法(IRIS/AP，USA，Thermo Jarrell Ash)测定垂序商陆植物体内锰元素含量。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Office Excel 2010进行分析。

2 结果与分析

2.1 垂序商陆对锰吸收和积累随时间变化的短期动态特征

垂序商陆对锰吸收和积累随时间变化的短期动态特征如图1所示。

从图1可见：在低锰浓度(0.2 mmol/L)条件下，垂序商陆叶对锰的吸收随时间的延长逐渐增加；在 2 h时锰含量变化不大，此后逐渐升高，在8 h时趋势变缓，32 h时继续增加，至48 h时达到704 mg/kg；垂序商陆茎对锰的吸收随时间缓慢增加，至16 h时达到近饱和状态，48 h时达到1.294 g/kg。垂序商陆根对锰的吸收随时间逐渐增加，在4 h内锰含量变化不大，此后逐渐升高；在32 h时趋于饱和状态，至48 h时达到1.251 g/kg。

在生长介质高锰浓度(5.0 mmol/L)条件下，垂序商陆叶对锰的吸收同样随时间的延长增大，但变化趋势与低锰浓度时存在差异。在2 h时变化不大，此后缓慢升高，从16 h开始急剧增加，直至48 h达到5.068 g/kg；垂序商陆茎对锰的吸收同样随时间增加，经过一个极短的适应期后就开始急剧增加，直至48 h达到4.008 g/kg；垂序商陆根对锰的吸收同样随时间增大，但变化趋势与低锰浓度时存在差异。在2 h内锰吸收急剧增加，此后经过一段平缓期，再次持急剧增加，16 h后开始缓慢升高，直至48 h达到4.060 g/kg。

图1 48 h时垂序商陆叶、茎和根锰吸收的短期变化动态Fig.1 Manganese uptake in leaves, stems and roots of P. americana of different time in 48 h

2.2 垂序商陆对锰吸收和积累随时间变化的长期动态特征

垂序商陆对锰吸收和积累随时间变化的长期动态特征如图2所示。

从图2可见：在锰浓度为0.5 mmol/L时,垂序商陆叶锰含量第5天便升至4.442 g/kg，第15 天降至3.306 g/kg；随着时间的延长，第45 天时锰含量又升至9.034 g/kg；茎中锰含量则随着植物的生长升高，第45 天时达到 1.609 g/kg；根的锰含量变化差异不明显，生长15 d后升高至2.352 mg/kg,然而，第35天降至1.517 mg/kg，第45天又增加至2.335 g/kg，与生长15 d的垂序商陆茎锰含量持平。

图2 45 d时垂序商陆叶、茎和根锰吸收的长期变化动态Fig.2 Manganese uptake in leaves, stems and roots of P.americana of different time in 45 d

在生长介质高锰浓度(5.0 mmol/L)下，垂序商陆叶的锰含量呈现波动性变化，生长 5 d后即达到 34.5 g/kg，25 d后降至20.27 g/kg，最后随着植物的生长又升至30.69 g/kg；茎锰和根锰含量分别与生长介质低锰浓度时的植物体锰含量变化状态相似，茎锰含量随时间持续升高，至45 d时达到8.899 g/kg；而根锰含量则在生长15 d时达到最高5.948 g/kg，其后有所降低，但随不同时间植物体锰含量变化差异不明显。

2.3 垂序商陆的锰吸收随生长介质锰浓度变化的动态特征

垂序商陆的锰吸收随生长介质锰浓度变化的动态特征见图3。从图3可见：垂序商陆叶锰含量随着锰处理浓度的升高而增加，当锰浓度达到5.0 mmol/L时增加态势变缓，叶锰含量变化不大。然而，当植物生长5 d时，叶锰含量变化趋势有所差异，当锰处理浓度5.0 mmol/L 时垂序商陆叶锰含量高达34.5 g/kg，其后先降低，当锰浓度为 12.0 mmol/L 时又升高到35.77 g/kg。

图3 垂序商陆叶、茎和根锰吸收随生长介质锰浓度变化的动态特征Fig.3 Manganese uptake in leaves, stems and roots of P. americana as a function of Mn concentrations

不同生长时期的垂序商陆茎锰含量均随生长介质中锰浓度的升高而增加，当垂序商陆在锰浓度为12.0 mmol/L的营养液中生长45 d时，锰含量高达12.86 g/kg。垂序商陆在不同生长时期的根锰含量与茎锰含量变化趋势相似，均与生长介质锰含量成正比。当垂序商陆在锰浓度为 12.0 mmol/L 的生长介质中培养5 d时，锰含量高达11.5 g/kg。然而，随着植物的生长，垂序商陆根锰含量呈现出先降低后升高的趋势。垂序商陆生长25 d时根锰含量降至8.215 g/kg，培养45 d后根锰含量又增加到10.400 g/kg。在其他锰浓度下，垂序商陆根锰含量也有相似的变化趋势。

3 讨论

超富集植物从根际吸收重金属，并将其转移和积累到地上部分，这过程包括许多环节和调控位点，包括根际重金属的活化、跨根细胞膜运输、根皮层细胞横向运输、从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管、木质部中长途运输，从木质部卸载到叶细胞、跨叶细胞膜运输、跨叶细胞的液泡膜运输，其中金属离子的跨膜运输是一个极其重要的调控机制[12]。在温室培养下，生长介质(营养液)中金属的活度高，不存在金属的活化过程，控制植物体内金属积累的第1步是金属的跨根细胞膜运输，它决定于金属跨根细胞的内流(influx)和外流(efflux)之间的动态平衡。从垂序商陆对锰吸收随时间变化的动态结果来看(见图1和图2)：在生长介质高Mn2+浓度(5.0 mmol/L)下，根系Mn含量随着生长时间增加较快，而在低Mn2+浓度(0.2和0.5 mmol/L)下，根系Mn含量随着生长时间变化不大。这说明在生长介质Mn浓度高时，Mn跨根细胞的内流速率大于外流速率，导致根系Mn含量不断增加；而在低Mn浓度下，通过预培养后，Mn跨根细胞膜的内流与外流正趋于动态平衡，从而根系Mn含量随培养时间的延长增加较少。超富集植物根系重金属含量随着生长介质中重金属浓度的增加而增加，这与龙新宪[12]的研究结果一致。尽管垂序商陆根系Mn的内流速率随着Mn浓度的增加而增加，但是，还无法确定这种净内流增加的原因是主动吸收还是被动吸收，这有待于进一步研究。

超富集植物不仅应有超常的重金属吸收和积累能力，而且能将其转移并贮存在地上部分。在低锰浓度(0.2 mmol/L)条件下，垂序商陆叶对锰的吸收随时间逐渐增加，而垂序商陆茎和根对锰的吸收随时间缓慢增加，分别在16 h和32 h时趋于饱和状态(图1)。而在高锰浓度(5.0 mmol/L )条件下，垂序商陆叶、茎和根系对锰的吸收均随时间增加，这表明垂序商陆根系吸收的锰向地上部转运受生长介质中 Mn浓度和体内Mn状况的双重控制。但是，垂序商陆48 h内没有趋于饱和的趋势，没发现类似的“饱和极限”，这与超富集植物东南景天的研究结果不一致[12]，其原因有待深入探讨。通过对模式植物遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)超富集Zn的生理和分子机制研究发现：Zn跨膜运输受膜运输蛋白的调控，超富集植物的根系和地上部分Zn运输蛋白的基因表达丰度比非超富集植物的高，其表达丰度受生长介质中Zn浓度和植物组织内Zn状况调控[13−14]。垂序商陆体内是否也存在类似的Mn运输蛋白，其表达丰度是否同样受生长介质中Mn浓度和植物组织内Mn状况双重影响，还有待进一步研究。

4 结论

(1) 垂序商陆根、茎和叶的锰含量基本随着生长介质锰浓度的升高而增加；在不同锰浓度下，垂序商陆根、茎和叶锰含量均随着生长时间呈现波动变化。

(2) 在生长介质不同锰浓度下，垂序商陆根、茎和叶锰含量在植物处理5 d时出现1个峰值，其后有所降低；垂序商陆在锰处理开始的48 h内存在一个快速的吸收过程，但是高锰浓度变化幅度要大于低锰浓度时的变化幅度。

(3) 垂序商陆对锰的吸收和积累模式依赖于生长介质中锰的浓度和时间，这表明超富集植物垂序商陆对锰的吸收和转运受生长介质锰浓度和植物体内锰含量状况双重控制。

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