段海風，劉四喜，郭志強，韓 寧，蘇 益

（湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院，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)大學植物激素與生長發(fā)育湖南省重點實驗室溫室進行種植和繁殖。

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)指標測量 在每一株商陸近身處插入標尺，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處達到最大值3.6 mm/d。通常情況下，離子脅迫會嚴重影響植物生長，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的特征：（l）體內(nèi)某一重金屬元素含量應大于一定的臨界值。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%，遠遠超過了超積累植物的基本標準，本研究進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)體途徑進入根系。由于細胞膜的選擇通透性，離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白介導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)生競爭抑制或促進作用。如Salt等[26]在研究印度芥菜（Brassica juneea）細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)系比較復雜，要了解其真正的機制還需要進行深入研究并從分子生物學層面加以闡明。

[1] 賈金萍，秦雪梅，李青山，等.商陸化學成分和藥理作用的研究進展[J].山西醫(yī)科大學學報，2003，34（1）：89-92.

[2] 陳國菊，石 麗，雷建軍，等.中國商陸抗病毒蛋白基因的克隆及其轉(zhuǎn)化辣椒[J].園藝學報，2008，35（6）：847-852.

[3] 江一北，李 政，林曉露.美洲商陸抗病毒蛋白基因轉(zhuǎn)化非洲菊的研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2010，35（3）：76-80.

[4] 楊 宇，王錫鋒，吳元華.美洲商陸抗病毒蛋白及其在植物病害防治中的應用[J].中國植保導刊，2006，26（6）：23-25.

[5] 林愛玉，王秋穎.美洲商陸抗病毒蛋白及其在艾滋病治療中的應用[J].中草藥，2003，34（9）：附 3-附 6.

[6] 賀永文，郭春霞，雷延昌，等.商陸抗病毒蛋白體外抑制乙型肝炎病毒復制的研究[J].中華內(nèi)科雜志，2007，46（10）：859-861.

[7] 薛生國，陳英旭，林 琦，等.中國首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物——商陸[J].生態(tài)學報，2003，23（5）：935-937.

[8] 薛生國，周曉花，劉 恒，等.垂序商陸對污染水體重金屬去除潛力的研究[J].中南大學學報，2011，42（4）：1156-1160.

[9] 黃五星，高境清，黃 宇，等.商陸對鎘鋅銅脅迫的生理響應與金屬積累特性[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2010，33（1）：77-79.

[10] Liu Y G,Zhang H Z,Zeng G M,et a1.Heavy metal accumulation in plants on Mn mine tailings[J].Pedosphere,2006,16（1）:131-136.

[11] 任立民，劉 鵬，蔡妙珍，等.水蓼、小飛蓬、杠板歸和美洲商陸對錳毒的生理響應[J].水土保持學報，2007，21（3）：81-85.

[12] 張玉秀，黃智博，張紅梅，等.商陸和煙草對錳脅迫的抗氧化響應研究[J].環(huán)境科學，2009，30（12）：3676-3683.

[13] 梁文斌，薛生國，沈吉紅，等.錳脅迫對垂序商陸葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)及葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響[J].生態(tài)學報，2011，31（13）：3677-3683.

[14] 王志穎，吳玉環(huán)，劉 鵬，等.錳毒對美洲商陸活性氧代謝的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2009，37（8）：47-50.

[15] 梁文斌，薛生國，沈吉紅，等.錳脅迫對垂序商陸光合特性及葉綠素熒光參數(shù)的影響[J].生態(tài)學報，2010，30（3）：619-625.

[16] 豆長明，陳新才，施積炎，等.超積累植物美洲商陸根中錳的累積與解毒[J].土壤學報，2010，47（1）：168-171.

[17] 蘇冰霞，劉洪生，馮信平.ICP-AES法同時測定天然植物中金屬元素的研究[J].微量元素與健康研究，2009，1（26）：44-46.

[18] Xue SG,Chen Y X,Baker A JM.Manganese uptake and accumulation by two populations of Phytolacca acinosa Roxb.[J].Water,Air&Soil Pollution,2005,160:3-14.

[19] Xue SG,Chen Y X,Reeves R D,et al.Manganese uptake and accumulation by the hyperaccumulator plant Phytolacca acinosa Roxb.[J].Environmental Pollution,2004,131（3）:393-399.

[20] Rodríguez-Navarro A,Rubio F.High-affinity potassium and sodium transport systems in plants[J].Journal of Experimental Botany,2006,57:1149-1160.

[21] Corratgé-Faillie C,Jabnoune M,Zimmermann S,et al.Potassium and sodium transport in non-animal cells:the Trk/Ktr/HKT transporter family[J].Cellular and Molecular Life Sciences,2010,67:2511-2532.

[22] Hall J L,Williams L E.Transition metal transporters in plants[J].Journal of Experimental Botany,2003,54:2601-2613.

[23] Delhaize E,Gruber B D,Pittman J K,et al.A role for the AtMTP11 gene of Arabidopsis in manganese transport and tolerance[J].The Plant Journal,2007,51:198-210.

[24] Mills R F,Doherty M L,Lopez-Marques R L,Weimar,et al.ECA3,a Golgi-localized P2A-type ATPase,plays a crucial role in manganese nutrition in Arabidopsis[J].Plant Physiology,2008,146:116-128.

[25] Cailliatte R,Schikora A,Briat J F,et al.High-affinity manganese uptake by the metal transporter NRAMP1 is essential for Arabidopsis growth in low manganese conditions[J].The Plant Cell,2010,22:904-917.

[26] Salt D E，Prinee R C，Piekering I J,et al.Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian mustard[J].Plant Physiology,1995,109:1472-1433.