铅胁迫对景天属和花生属植物生理特性和根系分泌物的影响

2014-10-20聂磊官晓东钟秋凤

湖北农业科学 2014年16期

聂磊　官晓东　钟秋凤

摘要：在水培条件下，用 1 000 mg/L铅（Pb）处理景天属（Sedum）的野生种植物紫叶景天（Sedum telephium）和栽培种植物佛甲草（Sedum lineare），花生属（Arachis）的野生种植物蔓花生（Arachis duranensis）和栽培种植物花生（Arachis hypogaea）后发现，景天属植物佛甲草和花生属植物蔓花生、花生等叶片相对电导率、MDA含量都明显升高，叶绿素含量、根系活力不同程度降低，生物量积累明显下降；来自非洲草原的紫叶景天基本上不受Pb胁迫的影响。Pb处理下景天属和花生属植物根系分泌的总有机酸和可溶性糖含量均有所增加，且表现出明显的种间差异。在Pb胁迫下，花生属植物的有机酸分泌强度要明显高于景天属植物，野生种类的分泌强度要明显超过栽培种类。景天属植物根系分泌的有机酸主要种类为草酸、酒石酸、苹果酸和柠檬酸；花生属植物根系分泌的有机酸主要种类为柠檬酸、草酸和琥珀酸。

关键词：铅胁迫；景天属（Sedum）；花生属（Arachis）；根系分泌物；生理特性

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3760-05

Abstract： Hydroponic experiments were conducted to investigate the impact of lead stress on root exudates and growth physiological characteristics by Papilionaceae species （Arachis duranensis， Arachis hypogaea） and Crassulaceae species （Sedum telephium， Sedum lineare） in the level of 1 000 mg/L. The metabolism capacity and stress resistance of wild species under lead acetate solution culture were significantly better than that of the cultivated species. Lead contamination promoted the root exudation of organic acids and soluble carbohydrate in all experimental species. The promotion in wild species was significantly different from the cultivated spececies. Citric acid， oxalic acid and succinic acid were induced in root secretion of Arachis duranensis and Arachis hypogaea under high levels of Pb2+. Oxalic acid， tartaric acid， citric acid and malic acid exudation were found in roots of S. telephium and S. lineare.

Key words：lead stress；Sedum；Arachis；root exudates；physiological characteristics

铅（Pb）是土壤中最普遍的重金属污染物之一，其中城市和工矿区是土壤铅污染的重灾区。与传统治理方法相比，通过植物修复技术来清除土壤重金属污染以其潜在的高效、经济及其生态协调性等优势显示出巨大的生命力，成为生态恢复研究的热点，不少学者利用各种植物的特殊功能在净化和改良污染环境方面已做了大量的研究工作[1]，其中根系分泌物的化学生态学是近年来世界各国日益重视的研究热点。研究表明，在多种环境胁迫条件下，植物通过调节其自身的生命活动过程及代谢分泌物，积极应对环境胁迫[2]。本研究分别以野生型和栽培型的景天属（Sedum）、花生属（Arachis）植物为材料，比较分析铅胁迫对植物生长、生理特性以及根系分泌物种类数量的影响，为深入开展化学生态学相关领域研究和生态恢复技术实践提供参考，为重金属污染的生态修复和土地利用提供有效技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的植物材料为景天属的野生种植物紫叶景天（Sedum telephium）和栽培种植物佛甲草（Sedum lineare），花生属的野生种植物蔓花生（Arachis duranensis）和栽培种植物花生（Arachis hypogaea）。其中紫叶景天于2011年采自肯尼亚马赛马拉国家保护区（S1°37′04″，E35°23′21″），蔓花生于2012年采自海南东方大田自然保护区（N19°15′12″，E108°44′42″）；佛甲草和花生均为栽培种，花生栽培品种为汕油523，购自广东省农业科学院作物研究所花生试验基地。

1.2 试验设计

1.2.1 植株培养采用根箱水培技术。花生属植物种子用70%乙醇灭菌，以无菌水冲洗7～8次，于恒温箱中25 ℃黑暗条件下催芽萌发4 d。当幼苗两片子叶展开时，将长势一致的幼苗用海绵包住茎，移栽到盖上有小孔的水培箱中，培养液采用Hoagland完全培养液。2 d 换一次营养液，每天通气4 h，培养15 d。选取长势均一的佛甲草和紫叶景天，洗净后栽种于水培箱中，Hoagland完全培养液中正常生长1个月。铅污染处理浓度为1 000 mg/L，用Pb（NO3）2配成溶液一次性浇入水培箱。对照及处理均设3次重复。

1.2.2 根系分泌物的收集植物材料在铅处理7 d后，用蒸馏水淋洗根部3～5次，然后用滤纸吸干根表面水分，迅速向收集液中加入适量百里酚，将植物移至0.5 mmol/L的CaCl2溶液中收集4 h，收集的根系分泌物经过滤除去杂质后，再过0.45 μm膜。取10 mL收集液测定总有机酸含量，10 mL收集液测定可溶性糖含量。合并剩余培养液，在旋转蒸发仪上浓缩至2 mL 左右，用超纯水定容至5 mL，过0.22 μm 微孔滤膜后作为有机酸供试品溶液。

1.2.3 测定方法根系分泌物中的低分子量有机酸种类和数量用HPLC测定。测定仪器为高效液相色谱仪（LC-10AT，Shimadzu，Japan）。色谱条件如下：反相C18柱（Shimadzu CLC-ODS），流动相为0.025 mol/L KH2PO4 （pH 2.50，过0.45 μm滤膜），流速为0.3 mL/min，柱温37 ℃，检测波长为214 nm（Shimadzu spectrophotometric UV detector，Model SPD-10A），进样量20 μL，标准样品测定时间为20 min，样品测定时间45 min。总有机酸含量的测定用NaOH滴定法。可溶性糖含量采用硫酸蒽酮比色法测定。

铅水培处理15 d后取样测定各项生理指标。叶片叶绿素用丙酮提取，721型分光光度计在665和645 nm处测定含量；叶片丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸比色法[3]；细胞膜透性用相对电导率表示，采用电极法（DDS-11A型电导率仪）测定[4]；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法测定[5]。计算植物样品在试验前后各生理指标的相对百分数。

铅处理45 d后收获供试植株，用自来水洗净后，去离子水清洗2～3遍，晾干后于105 ℃下杀青 30 min，然后在65 ℃下烘干至恒重，分别测定植株地上部分、根部和总生物量。计算植物样品在试验前后各生长指标的相对百分数。

1.3 数据统计分析

所有试验数据用SPSS（12.0版）软件进行方差分析（ANOVA）和LSD检验。

2 结果与分析

2.1 铅胁迫处理对植物生理生长指标的影响

由图1可知，1 000 mg/L铅处理不同程度降低佛甲草、蔓花生和花生的叶绿素含量。其中，佛甲草的降幅最大（48.8%），其次是花生（39.1%），与对照差异达极显著水平（P<0.01）。铅胁迫对紫叶景天的叶绿素含量影响不大。与叶绿素的测定结果类似，铅水培处理下，佛甲草、蔓花生和花生的根系活力不同程度下降，紫叶景天根系活力变化不大；佛甲草和花生的根系活力分别下降了68.1%和39.5%，而蔓花生则降低17.0%。

花生在1 000 mg/L铅处理下叶片相对电导率上升了160.8%（P<0.05），此时的细胞膜已受到一定程度的破坏；而野生种蔓花生叶片相对电导率仅上升89.2%，较花生的膜损伤程度为低。佛甲草在铅处理下的叶片电导率达到28.8%，极显著高于对照的9.2%（P<0.01）。结果显示，铅处理能明显增加佛甲草和花生叶片质膜透性，破坏细胞膜结构；铅处理对紫叶景天的叶片电导率无显著影响。

丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的产物，其含量的高低在一定程度上反映了体内自由基活动的状态以及细胞受氧自由基毒害的程度。研究发现，铅处理下佛甲草、蔓花生和花生的叶片MDA含量都有所增加。花生叶片MDA含量显著增加了189.7%，佛甲草则增加了95.6%（P<0.05）。铅处理对紫叶景天叶片MDA含量没有明显影响。

铅水培处理对于供试植物的生物量积累有着明显影响（图2）。花生的根部生物量及总生物量较对照极显著下降了54.7%和37.2%（P<0.01）。佛甲草和蔓花生的总生物量较对照分别降低了28.5%和20.3%，幅度达到了显著水平（P<0.05）。铅处理对于植物根系生物量的影响要大于地上部分，佛甲草、花生和蔓花生的地上部分生物量在铅作用下平均降低了23.3%，而根系生物量则下降了39.0%。铅胁迫处理对紫叶景天的生物量积累效果不明显。

2.2 铅胁迫处理对植物根系分泌物的影响

由图3可以看出，与对照相比，植物根系分泌的总有机酸和可溶性糖的含量均有所增加，说明铅胁迫促进了植物的根系分泌作用，但不同植物的表现不尽相同。花生属植物的有机酸分泌强度要明显高于景天属植物，其中以蔓花生的分泌量最高，铅处理下达到12.3 μmol/g（DW）。铅胁迫对于野生种类根系分泌有机酸的刺激效应要明显超过栽培种类，紫叶景天和蔓花生的总有机酸分泌量分别较对照增加了234.0%和193.5%，增加幅度分别达到佛甲草和花生的1.66倍和1.30倍。

作为植物体内重要的小分子渗透调节物质，可溶性糖是植物抵御逆境胁迫的重要方式。研究结果表明，铅胁迫条件下植株根系分泌的可溶性糖含量均高于对照，且与有机酸类似，花生属植物的分泌强度要高于景天属植物，其中以花生的分泌量最高，铅处理下达到8.5 μg/g（DW）。铅胁迫对于野生种类根系分泌可溶性糖的刺激效应也同样要超过栽培种类，紫叶景天和蔓花生的有机酸分泌量分别较对照增加了80.1%和69.5%，增加幅度分别达到佛甲草和花生的1.57倍和1.86倍。

在植物根系分泌的有机酸种类组成及浓度方面，测定发现景天属植物根系分泌的有机酸主要种类为草酸、酒石酸、苹果酸和柠檬酸，其中草酸的含量最大，约占总有机酸的65%，酒石酸、苹果酸和柠檬酸各约占总有机酸的15%、8%和6%（图4）。紫叶景天与佛甲草的有机酸种类组成比例基本类似，铅处理下草酸占总有机酸的比例相对于对照有所增加，由对照的51.5%上升到65.2%。花生属植物根系分泌的有机酸主要种类为柠檬酸、草酸和琥珀酸，其中柠檬酸的含量最大，约占总有机酸的75%，草酸和琥珀酸各约占总有机酸的17%和5%。蔓花生与花生的有机酸种类组成比例基本相同，铅处理前后柠檬酸占总有机酸的比例也基本一致。

3 结论与讨论

近年来，随着矿产资源的大量开发利用、电子垃圾的丢弃、农药及化肥的广泛使用以及城市污泥、污水的农用，重金属对土壤、水体的污染越来越严重。Pb因熔点低、密度高、抗腐蚀、易于机械加工等特点而被广泛应用于国民经济各个领域。全世界每年铅消耗量约为400万t，这些铅约1/4被重新回收利用，其余大部分以各种形式排放到环境中造成污染，并成为我国各种垃圾填埋场垃圾土的主要重金属污染物[6]。

Pb对植物的伤害机理之一是通过破坏植物细胞膜，使膜透性增加，细胞内含物大量外渗，同时外界物质进入细胞，导致植物体内生理生化反应发生紊乱，破坏正常的新陈代谢，从而使生长、生殖活动受抑制，以至死亡。有分析认为铅处理使细胞膜透性增大的可能原因是铅与细胞上的磷脂作用形成正磷酸盐和焦磷酸盐，从而改变膜的结构。铅可显著降低叶片叶绿素含量，高浓度的铅可以破坏叶绿素合成过程中必需的叶绿素酸酯还原酶的活性和影响氨基-γ-酮戊酸的合成，导致植物的叶绿素含量减少。研究表明土壤Pb污染首先危害的是根系，表现为根系活力降低和主动吸收能力降低。土壤Pb污染对植物生长发育的影响除了对光合作用和细胞的直接损害外，还影响到植物水分和养分的吸收、转化和分配，从而影响到植物的营养生态[7]。本研究采用广州垃圾填埋场中土壤平均Pb浓度水平的1 000 mg/L处理，结果发现佛甲草、花生等试验植株的叶片相对电导率、MDA含量都明显升高，叶绿素含量、根系活力不同程度下降。结果显示，Pb处理显著增加佛甲草和花生叶片质膜透性、破坏细胞膜结构、加剧膜脂过氧化程，进而影响了植物营养和生长发育，花生和佛甲草的生物量积累明显下降，尤其体现在根部生物量方面。作为野生种的蔓花生，受Pb胁迫下的生理抑制水平要明显低于栽培种的花生，而采自非洲草原的紫叶景天基本上不受Pb胁迫的影响。野生种与栽培种的生理特性试验结果表现出明显的差异。

1983年美国科学家Chaney首次提出了植物修复技术的概念，即利用某些能够富集重金属的植物清除土壤重金属污染，其修复过程包括植物萃取、植物固定、植物挥发和根系过滤等。植物对重金属污染极强的耐受能力是植物修复技术的首要条件[8]。目前我国发现重金属超积累水平较明显的植物有蜈蚣草-砷、龙葵-镉、商陆-锰等，其中东南景天（Sedum alfredii）是在我国首次发现的一种锌镉超积累植物，具有很强的耐高Zn 胁迫、吸收和运输Zn的能力，能将镉、锌、铅等较多地吸收到植株的地上部，有效减轻土壤重金属污染[9]。在本试验中，来自肯尼亚萨凡纳热带草原的野生种类紫叶景天在Pb胁迫下表现出良好的生长潜力和抗逆性，而来自海南滨海地区的野生种蔓花生则在Pb胁迫下生长不良，说明针对重金属的植物修复技术主要取决于不同植物对于污染的耐受性差异。

化学生态学是近年来发展起来的一门边缘学科，它通过对介入生物群体内或介于生物群体间的天然化学物质的起源、功能及其重要性进行研究，从而理解宏观生态现象。植物根系分泌物的机理与应用是化学生态学的重点研究内容[10]。根系分泌物是植物根系释放到周围环境中的低分子量化合物（如糖、氨基酸和有机酸等）和高分子量化合物（如植物络合素、植物高铁载体、类金属硫蛋白等）的总称。这类化合物可改变根际土壤的pH、Eh、与重金属发生螯合、络合沉淀等化学反应、影响土壤微生物数量和活性，从而直接或间接地影响重金属在土壤中的结合形态及活性，在植物主动适应和抵御重金属不良环境中具有重要作用。有机酸和可溶性总糖是根系低分子量分泌物的2个重要组分，尤其是有机酸，目前普遍认为，植物在过量重金属元素胁迫下分泌大量有机酸是植物抗重金属的机理之一[11]。施积炎等[12]发现，海州香薷和鸭跖草根分泌物对污染土壤中Cu 有一定的活化能力，且鸭跖草根系分泌物对Cu 的活化能力大于海州香薷。本试验发现，Pb处理下花生属和景天属植物根系分泌的总有机酸和可溶性糖的含量均有所增加，花生属植物的有机酸分泌强度要明显高于景天属植物，而野生种类的分泌强度要明显超过栽培种类，表现出明显的种间差异。结合野生种类对于Pb胁迫更好的耐受能力，显示出根系分泌物与植物对Pb污染抗性之间存在有一定关系。

植物通过根系分泌不同的有机酸，比如柠檬酸、苹果酸、草酸等，以此响应环境胁迫。例如大豆在铝胁迫下可以分泌多种有机酸，其中以柠檬酸为主；杉木和马尾松在缺磷胁迫下，根系会增加分泌草酸、酒石酸、柠檬酸和苹果酸等[13，14]。有机酸的多样性更有利于植物对逆境的抗性和解毒。本研究发现，景天属植物根系分泌的有机酸主要种类为草酸、酒石酸、苹果酸和柠檬酸，其中草酸的含量最大，约占总有机酸的65%；然而，有研究报道同属植物东南景天根系分泌有机酸主要由苹果酸、酒石酸和草酸组成，其中苹果酸占总有机酸的80%以上，有机酸组成差异的原因有待进一步分析。花生属植物根系分泌的有机酸主要种类为柠檬酸、草酸和琥珀酸，其中柠檬酸的含量最大，约占总有机酸的75%。铅处理前后试验植物的有机酸分量明显增加，而比例组成变化不大，仅景天属植物根系分泌的草酸比例稍微升高。

根系分泌物是根细胞经过代谢过程主动分泌的，当植物遭受逆境胁迫时，通过溢泌根分泌物直接或间接活化根际土壤中的难溶性养分和调节根际微生物活性，是植物主动适应环境的重要机制[15]。本研究结果表明，景天属和花生属的野生种类植物对于Pb胁迫的适应性要明显好于栽培种类，尤其紫叶景天基本上不受Pb胁迫的影响，可作为潜在的植物修复种源进一步探索。与此相应的是，野生种类植物分泌的有机酸和可溶性糖含量也明显高于栽培种类，根系分泌物的分泌强度是否能直接导致植物适应逆境胁迫的能力，有待今后进一步研究。

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（责任编辑龚艳）