砷胁迫对不同物候期香蒲根系分泌物的影响*

张雅洁 杜崇宣 杨思林 刘云根,# 王 妍 马 荣

(1.西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224;2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南 昆明 650224)

砷(As)是一种广泛存在于自然界但难以自然降解或微生物分解的强毒性环境污染元素[1-2]。随着工业化发展，越来越多的现代化生产活动产生的As进入了环境[3]。已有地区出现严重的环境As污染问题[4]。此外，由于As的迁移性，若仅仅观测到环境中As浓度降低，并不能说明水生态系统As污染及其毒性效应随之降低[5]，可能被转移到了生态系统中的生物体内。湖滨带是湖泊的水陆交错区域，具有陆源污染拦截、污染物降解、水质提升和生物多样性维持等多种生态功能，是保障湖泊水生态系统健康的重要屏障[6]。挺水植物作为湖滨湿地生物群落的重要组成部分，对重金属有较大吸收量，在湖滨带重金属植物修复中具有广泛应用。目前，植物对As的富集、响应机制研究已取得较多进展，但多关注植物的地上部分，对于植物根系分泌物的关注较少。事实上，根系是植物与土壤的物质交换界面，对环境胁迫能迅速做出响应[7]。根系分泌物是植物长期以来形成的一种适应机制。在重金属污染胁迫下，植物根系分泌物种类、组成都会发生改变[8]。因此，研究As耐受植物根系分泌物对As污染胁迫的响应，可进一步探明As耐受植物对As污染环境的适生机制。由于一般情况下植物体内的物质变化会随其物候期变化[9-10]，因此本研究测定与分析了在不同As浓度条件下典型挺水植物香蒲(TyphaangustifoliaL.)各物候期的根系分泌物，据此探析香蒲对As污染环境的适应机制及用香蒲进行植物修复的最佳物候期，以期为As污染地区植物修复提供理论参考和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试香蒲购自云南省昆明市富民县某香蒲种植基地，筛选长势一致的用于试验。供试土壤为采自西南林业大学校园内的红壤，基本性质见表1。Na2HAsO4·7H2O为分析纯。

表1 供试土壤基本性质

供试土壤经自然晾干、研磨、过2 mm筛后，与史丹利有机型家庭园艺复合肥按1∶2(体积比)混匀，使用黑色聚乙烯塑胶桶(直径25 cm，高35 cm)作为湿地模拟装置，每个桶装入15 kg混合土和10 L无菌水刚好至淹水状态，通过加入Na2HAsO4·7H2O设置土壤中As质量浓度为0、50、150、600 mg/kg，分别代表As空白、As低浓度、As中浓度和As高浓度胁迫，每个浓度设置3个重复，常温、黑暗环境下老化一个半月后于2018年4月栽种香蒲，每个湿地装置栽种4株生苗龄为一个月的香蒲幼苗，控制温度为20～25 ℃，相对湿度为60%～75%，自然光照，每隔一星期添加无菌水至淹水状态。

1.2 样品采集及测定

将物候期划分为幼苗期、花果期、枯黄期3个阶段，分别在2018年6月(幼苗期)、8月(花果期)、10月(枯黄期)采用韦雪晶等[11]的方法进行根系分泌物采集，用气相色谱—质谱联用仪(Agilent 7890A/5975C)测定。同时采集3个物候期的植物根系和土壤，并测定As含量[12]。

1.3 数据分析

利用气相色谱—质谱联用仪软件MSD ChemStation自带的NIST Serach筛选出匹配度90%以上的物质，并采用峰面积归一法(单一成分的峰面积/所有成分的峰面积)表征根系分泌物质量分数。

利用SPSS 17.0进行标准差、显著性、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 As胁迫对不同物候期香蒲根系分泌物种类的影响

2.1.1 定性分析

由图1可以看出，烃类为香蒲根系分泌物中的主要种类，各物候期均检出种类众多的烃类。从植物处于不同物候期根系分泌物种类变化分析，幼苗期香蒲根系分泌物有烃类、酚类、生物碱类和唑类4类，唑类是幼苗期仅有的种类；花果期香蒲根系分泌物的种类最丰富，出现了1种有机酸类和多种酯类，生物碱类的种类数也明显增多；枯黄期香蒲根系分泌物种类比较单一，仅检测出烃类、酚类、生物碱类3类。

图1 各物候期不同As质量浓度处理下的香蒲根系分泌物种类

幼苗期、花果期香蒲根系分泌物种类数均在As胁迫条件下增多，但都在As低浓度下就达到峰值，相比As空白分别增加了9、3种。幼苗期在As空白处理下香蒲根系仅分泌烃类和唑类，As胁迫后开始分泌酚类和生物碱类，同时烃类种类数大幅增加。As高浓度胁迫时烃类种类数减少，生物碱类种类数进一步增加。花果期出现的有机酸类是在As胁迫下出现的，同时As胁迫下酯类种类数增加。枯黄期As低浓度胁迫下根系分泌物种类数与As空白相同，而As中、高浓度胁迫下烃类种类数增加，As高浓度胁迫下生物碱类种类数也有增加。

2.1.2 半定量分析

各物候期不同As质量浓度处理下香蒲根系分泌物质量分数见图2。

注：不同小写字母表示P<0.05水平下组间差异显著。表2同。

幼苗期As空白条件下香蒲根系分泌物中烃类质量分数极高，达90%以上，受As胁迫后显著下降，As高浓度胁迫较As空白降低了18.82百分点。幼苗期仅有的唑类在As低浓度和中浓度胁迫下质量分数显著下降，但在As高浓度胁迫时又显著增加。酚类和生物碱类在幼苗期As空白条件下未检出，受As胁迫后开始出现，并随As浓度的升高呈增长趋势。

花果期香蒲植株趋于成熟，其根系分泌物种类变得更加丰富。虽然烃类仍是根系分泌物中的主要成分，但相比幼苗期总体明显减少。酚类质量分数随着As浓度升高逐渐增加，As低浓度、中浓度、高浓度胁迫下相比As空白分别增加了4.48百分点、7.08百分点、8.40百分点。有机酸类和酯类仅在花果期出现，且质量分数都随As浓度升高而增加。As中浓度、As高浓度相对As低浓度时有机酸类质量分数增加了3倍以上。花果期生物碱类质量分数在不同As浓度胁迫下差异不大，但相比幼苗期有大幅增加。

枯黄期香蒲根系分泌物只有3类，烃类仍是主要成分，但质量分数相比花果期进一步减少，而且随As浓度升高先升后降。酚类变化规律与其他两个物候期相同，质量分数均随As浓度升高逐渐增加。生物碱类质量分数随As浓度升高表现为先降后升，并且相比其他两个物候期进一步增加，As高浓度胁迫时已接近烃类的质量分数。

2.2 As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分

As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物共有成分有8种(见表2)，均为烃类，包括7种烷烃和1种烯烃，都为链状结构。其中，二十烷、二十三烷、二十四烷质量分数较大。As胁迫对二十烷质量分数影响较大，低浓度胁迫时就已经表现出来，幼苗期及花果期As低浓度胁迫下较As空白分别降低了17.22百分点、4.44百分点，而枯黄期As低浓度胁迫下则较As空白升高了2.59百分点。As低浓度胁迫对幼苗期二十三烷、二十四烷影响不显著，而As中浓度和高浓度胁迫有一定影响；花果期这2种烷烃质量分数在As低浓度胁迫下相比As空白分别下降了9.84百分点、8.87百分点，随着As浓度进一步升高，二十三烷先增加后减少，二十四烷则持续减少；枯黄期，As中浓度和低浓度胁迫对二十三烷有促进作用，而高浓度胁迫则是抑制作用，二十四烷在As胁迫下基本都呈抑制作用。

表2 As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分质量分数

2.3 As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分

As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分包括烃类、唑类、酚类、酯类、有机酸类、生物碱类6类，最主要的是烃类，由于是特有成分，因此不进行差异显著性的多重比较。

根系分泌物特有烃类成分包括9种烷烃和1种烯烃(见表3)，烷烃多为链状结构，有2种为环状结构。幼苗期和花果期在As胁迫环境下可以分泌较多种类特有成分，而枯黄期较少。幼苗期有7种特有烃类成分仅在As胁迫下分泌，其中3-甲基十七烷仅在As中浓度胁迫下检出。花果期有所不同，只有二十五烷和3-甲基十七烷在As空白中未检出。枯黄期时二十九烷、3-甲基十七烷和9-二十六烯等3种烃类根系分泌物消失，十七烷、十九烷、二十五烷在As浓度较高时才被检出，只有壬基环戊烷、十一烷基环戊烷在不同As浓度胁迫下均有出现。

表3 As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有烃类成分质量分数1)

根系分泌物其他特有成分见表4。幼苗期分泌1种唑类、1种酚类和3种生物碱类，唑类为香蒲幼苗期仅有的根系分泌物，质量分数随As浓度升高而增加，但As胁迫下均小于As空白；2,2’-亚甲基双[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚在受到As胁迫时出现，特别是As高浓度胁迫时相比As低浓度、As中浓度胁迫时明显增加；生物碱中的油酸酰胺、棕榈酰胺和芥酸酰胺都只有受到As胁迫时出现，尤其是棕榈酰胺和芥酸酰胺只有在受到As高浓度胁迫时才出现。花果期除唑类外，其他10种化合物基本上都有检出，棕榈酰胺、2,5-二叔丁基酚和棕榈酸质量分数随As浓度升高有明显的增加趋势，其中棕榈酸还是花果期在As胁迫下特有的化合物。只有2,5-二叔丁基酚和2,2’-亚甲基双[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚，还有油酸酰胺和芥酸酰胺在枯黄期稳定分泌，另外As高浓度胁迫时还检测到了棕榈酰胺。

表4 As胁迫下不同物候期香蒲根系分泌物的其他特有成分质量分数

2.4 共有根系分泌物与土壤、根系As间的相关性分析

由表5可见，在幼苗期和花果期，只有二十四烷与土壤、根系As有极显著负相关关系；在枯黄期，二十三烷和1-二十烯与土壤、根系As有极显著负相关关系，二十四烷与土壤、根系As有显著负相关关系。

表5 共有根系分泌物与土壤、根系As的相关性1)

3 讨 论

3.1 不同物候期对香蒲根系分泌物的影响

水环境重金属污染是现今不容忽视的环境污染问题，香蒲作为公认的湿地水生优势物种，对As胁迫具有较强耐受性，且以花果期修复As污染的效果最好[13]。陈俊峰等[14]发现，香蒲体内As含量呈现地下部分大于地上部分的特征，因此探明根系分泌物对土壤重金属的修复机制具有重要意义。本研究探究了As胁迫对不同物候期香蒲根系分泌物的影响差异。本研究发现，花果期香蒲根系分泌物的种类最丰富，且有有机酸类和酯类检出，说明花果期更能对As胁迫作出应激反应。这主要是因为一般情况下，花果期植物体内新陈代谢最旺盛[15-18]。有研究表明，植物在受到重金属胁迫时其根系会分泌有机酸以降低重金属的毒害作用[19-20]。卢豪良等[21]利用秋茄根系分泌有机酸作为土壤重金属提取剂，发现根系分泌的有机酸能促进重金属的溶解，使重金属的形态发生改变。酯类的官能团—COO—能通过络合反应吸附重金属[22]。因此，花果期香蒲根系在As胁迫下分泌有机酸类和酯类是应对As胁迫作出的适应机制。

3.2 不同As浓度对香蒲根系分泌物的影响

有研究表明，在As胁迫下植物会有部分根系分泌物增加[23]。本研究亦然，香蒲根系分泌的酚类在3个物候期内均随As浓度升高而增加。酚羟基作为一种含氧活性官能团，在土壤As污染修复中发挥重要作用[24]，可对植物根系促生菌的繁殖起到促进作用，有助于改善土壤细菌群落结构[25]。生物碱类在香蒲所有物候期都有检出，但不同物候期时As浓度对生物碱类的影响不同。本研究检出的生物碱类包括酰胺和腈。酰胺中的酰胺键是一种弱碱性官能团，其中的氮、氧原子能够提供孤对电子与金属离子形成络合物，从而可能达到去除重金属的效果[26]。施启荣[27]发现，腈对重金属有良好的吸附性，可用于废水中重金属去除。不同物候期香蒲根系分泌的酰胺和腈随As浓度的变化有不同的响应，具体原因还有待进一步研究。

4 结 论

(1) 香蒲根系分泌物主要包括烃类、酚类和生物碱类，枯黄期仅有这3类，幼苗期还有少量唑类，花果期根系分泌物种类最丰富，出现特有的有机酸类和酯类。

(2) 香蒲对As具有耐受性。在As胁迫下，香蒲会通过根系分泌物的改变来适应，如酚类、有机酸类和酯类等，特别是酚类在3个物候期均表现出随As浓度升高而增加的趋势。