祖艷群，周 景，閔 煥

（云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南昆明650201）

隨著化工、電鍍、印染工業(yè)的發(fā)展，重金屬的使用越來越廣泛，土壤重金屬污染日益嚴重，污染程度加劇，面積逐年擴大，其中Pb不是植物的必需元素，迄今為止沒有發(fā)現(xiàn)任何對植物有益的生理功能。重金屬在土壤中積累給各種農(nóng)作物生長帶來嚴重的危害，在主要的重金屬污染物中，作為 “五毒” (Hg、Cd、Pb、 Cr和 As) 之一的 Pb 污染比較突出[1，2]。 Pb 可經(jīng)飲水、食物進入消化道被人體吸收，也可通過呼吸道吸入肺部，還可通過皮膚接觸侵入體內(nèi)。Pb進入植物體內(nèi)后，不僅嚴重影響作物的生長發(fā)育、品質(zhì)及產(chǎn)量，還可通過食物鏈富集放大，危及人類健康[3]。

植物修復技術(shù)是一種新興的綠色生物技術(shù)，能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、保持土壤結(jié)構(gòu)和微生物活性的情況下，通過植物的根系直接將大量的重金屬元素吸收，收獲植物地上部分來修復被污染的土壤[4，5]。國內(nèi)外有關(guān)植物修復的研究報道和概述很多，但對植物根系分泌物在植物修復中所起的作用及其機理少有述評，植物吸收的金屬離子必須以溶液形式存在，植物之所以能夠吸收、富集重金屬，是由于其根部細胞與土壤中重金屬有較多的結(jié)合位點，即重金屬存在于細胞壁和液泡中，可以降低其毒性[6]。由于根系生長在地下，研究起來較為困難。而根系直接與土壤接觸，是植物與土壤環(huán)境接觸的重要界面，對土壤環(huán)境更為敏感，更易對土壤環(huán)境作出反應，土壤中Pb對植物的危害首先會表現(xiàn)在根系的變化上。在深入開展利用植物修復對重金屬污染的治理過程及機理研究中，植物根際活動對于植物吸收環(huán)境中的重金屬具有十分重要的作用。根際環(huán)境不僅是物質(zhì)和能量的交換場所，也是土壤物質(zhì)循環(huán)的重要作用界面。根際環(huán)境是在植物根系的吸收和分泌2個動態(tài)過程作用下形成的，在物理、化學和生物學性質(zhì)方面不同于原土復雜的、動態(tài)的微型生態(tài)系統(tǒng)。由于根際環(huán)境特別是重金屬脅迫下的根際環(huán)境與原土體存在著顯著的差異，而根際環(huán)境中的pH值、Eh值、根分泌物和根際微生物將直接影響到重金屬的固定和活化狀態(tài)，從而影響到重金屬在土壤—植物中的遷移轉(zhuǎn)化行為[7，8]。土壤中的重金屬先要經(jīng)過活化后才能被植物吸收利用，因此根系分泌物等根際特征在土壤生物有效性方面有重要作用。

植物根系分泌物是植物在生長過程中，根系向生長介質(zhì)分泌質(zhì)子和大量有機物質(zhì)的總稱。它們是根-土界面的潤滑劑，微生物的能源物質(zhì)能改善根際環(huán)境，是植物適應營養(yǎng)脅迫的關(guān)鍵物質(zhì)。在逆境脅迫條件下，植物根系分泌物數(shù)量一般都明顯增多，它可以緩解植物在養(yǎng)分缺乏或金屬毒害條件下的生長狀態(tài)，如在Pb脅迫下，耐Pb植物可通過分泌有機酸，以緩解Pb的毒害[9]；有些植物根系分泌物中的某些酚酸類物質(zhì)，濃度較高時，會對其他植物甚至自身造成毒害作用，抑制植物的生長發(fā)育，如Patterson等發(fā)現(xiàn)，l 000 mol/L的咖啡酸、t-肉桂酸、p-苦馬酸、阿魏酸、五倍子酸和香草酸能明顯抑制大豆的生長發(fā)育[10，11]。

為了探究Pb脅迫對植物根系生態(tài)效應，本文以圓葉無心菜 (Arenaria rotundifolia Bieberstein)為實驗材料，采用盆栽試驗方法，研究不同Pb濃度對圓葉無心菜根系分泌物（可溶性糖、游離氨基酸）及其生長的影響，以期反映Pb脅迫下根系的生理變化，初步探索圓葉無心菜累積Pb的特征和機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

圓葉無心菜栽培種采自云南省會澤縣鉛鋅礦區(qū)。

1.2 試驗設計

用Pb(CH3COO)2·3H2O對圓葉無心菜進行Pb脅迫處理，設4個Pb處理水平，分別為0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L，分別用CK、T1、T2、T3表示。每個處理設3個重復。

1.3 試驗方法

1.3.1 材料培養(yǎng)

采用漂浮育苗的方法進行培養(yǎng)。首先，對試驗材料消毒，即用10%H2O2溶液浸泡泡沫漂盤15 min，用10%H2O2溶液浸泡圓葉無心菜種子10 min；其次，在漂盤中填充優(yōu)質(zhì)漂浮育苗所用基質(zhì)，播種，并把播好種的漂盤放入營養(yǎng)液中。期間精心照料，當植株長到2～3 cm時進行移栽，把圓葉無心菜幼苗移入處理過的漂盤，采取水培的方式供其生長，定期更換營養(yǎng)液，并用曝氣裝置為其根部提供生長所需的氧氣。

1.3.2 根系分泌物的提取

每隔10 d提取1次。在不滅菌營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，收集和測定根分泌物。植物在營養(yǎng)液中經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)，開始收集根分泌物。將植株從營養(yǎng)液中取出，用清水清洗根系上附著的養(yǎng)分離子，再用去離子水洗根，然后將根放入盛有100 ml蒸餾水的容器中，此時，蒸餾水的體積能浸沒根系，然后，連續(xù)通氣培養(yǎng)24 h，再從收集液中取出根系放回營養(yǎng)液中。由于根分泌物的濃度過低，需濃縮才方便檢測，本實驗在恒溫下將收集液濃縮至16 ml，保存在-20℃下的低溫冰柜中備用。

1.3.3 測定方法

可溶性糖測定：硫酸蒽酮法； 游離氨基酸測定：茚三酮顯色法；株高、根長和鮮重測定：將水培中的植株每隔10 d測量一次株高和根長，培養(yǎng)40 d植株收獲后用去離子水洗凈，用吸水紙將葉片和根系上的水吸干后置于電子天平稱重，得到是植株樣的鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)應用DPS統(tǒng)計分析軟件進行分析，用LSD檢驗方法進行多重比較，差異顯著性在P＜0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb對圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量的影響

從圖1可以看出，隨著處理時間的增加，各處理根系分泌物中可溶性糖含量呈上升的趨勢；隨著處理濃度增大，根系分泌物中可溶性糖也呈上升的趨勢。第10 d，T3與T2、T1、CK的可溶性糖含量有顯著差異，比同期 T2、T1、CK分別高 12.7%、18.6%、42.6%，T1、T2的可溶性糖含量之間無顯著差異，CK與T1、T2的可溶性糖含量有顯著差異，T1、T2處理比CK的可溶性糖含量分別高29.4%、34.2%。第20 d，T2與T3的可溶性糖含量無顯著差異；T3與T1、CK的可溶性糖含量有顯著差異，比同期T1、CK分別高19.3%、27.8%；T2、T1與CK的可溶性糖含量無顯著差異。第30 d，T3與T2、T1、CK的可溶性糖含量有顯著差異，比同期T2、T1、CK分別高14.1%、22.8%、33.3%；T2與T1無顯著差異，T2比同期CK高22.4%，存在顯著差異。第40 d，T3與T2的可溶性糖含量無顯著差異；T3與T1、CK有顯著差異，比同期T1、CK的可溶性糖含量分別高38.6%、52.7%；T2與T1、CK有顯著差異，比同期T1、CK的可溶性糖含量分別高39.1%、45.3%；T1、CK無顯著差異。

圖1 Pb脅迫對圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量的影響

2.2 Pb對圓葉無心菜根系分泌物中游離氨基酸含量的影響

從圖2可以看出，隨著處理時間的增加，各濃度處理下的游離氨基酸含量都呈上升的趨勢；隨著處理濃度的增大，在前10 d游離氨基酸含量呈先上升后下降的趨勢，20 d后呈遞增的趨勢。第10 d，T2與T3無顯著差異，T2與T1、CK游離氨基酸含量有顯著差異，同期比T1、CK分別高31.2%、48.1%；T3與T1無顯著差異，與CK有顯著差異，T3的游離氨基酸含量比CK高40.3%；T1與CK無顯著差異。第20 d，T3與T2、T1、CK的游離氨基酸含量有顯著差異，比同期T2、T1、CK分別高出32.0%、61.2%、68.0%；T2與T1、CK有顯著差異，比同期T1、CK分別高出43.0%、53.0%；T1與CK無顯著差異。第30 d，T3與T2、T1、CK的游離氨基酸含量有顯著差異，比同期T2、T1、CK分別高出25.5%、55.4%、66.2%；T2與T1、CK有顯著差異，比同期T1、CK分別高出40.2%、54.7%；T1與CK無顯著差異。第40 d，T3與T2、T1、CK的游離氨基酸含量有顯著差異，比同期T2、T1、CK分別高出45.0%、64.6%、80.4%；T2與T1、CK有顯著差異，比同期T1、CK分別高出35.6%、64.4%；T1與CK有顯著差異，T1的游離氨基酸含量比CK高出44.7%。

圖2 Pb對圓葉無心菜根系分泌物中游離氨基酸含量的影響

2.3 Pb處理對圓葉無心菜生長的影響

從圓葉無心菜各生長指標的測定結(jié)果可以看出，隨著Pb處理濃度的增加和生長時間的延長，圓葉無心菜株高、根長和生物量均呈先升后降趨勢（表1）。T3降低的幅度最大，30 d時T3的株高、根長和生物量分別比對照降低22.9%、37.9%和64.4%。

表1 Pb處理對圓葉無心菜主要生長指標的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

通過對Pb處理的圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量、游離氨基酸含量及吸收累積特征的變化進行研究，低濃度Pb處理對圓葉無心菜的生長和生理指標的負面影響較小，反而有一定的促進作用，圓葉無心菜在生長過程中對高濃度的重金屬Pb表現(xiàn)出一定的耐性和適應性，內(nèi)部產(chǎn)生了對重金屬Pb的抗性機制。

可溶性糖是細胞中調(diào)節(jié)滲透脅迫的小分子物質(zhì)，起著維持細胞膨壓、酶活性、細胞膜系統(tǒng)穩(wěn)定性和植株光合作用等重要的生理功能[12]。Parys等認為Pb脅迫會影響植物水勢從而導致植物缺水。逆境條件下植物進行滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)主要以糖類為主[13]，失水脅迫條件下可溶性糖含量的增加有利于降低細胞滲透勢，增強細胞保水能力，減少由于細胞失水而造成的損傷。在滲透脅迫下，植物可通過在植物體內(nèi)積累可溶性糖的方式來降低滲透勢，以適應外界環(huán)境的變化。實驗結(jié)果表明，重金屬Pb對圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量有明顯的影響，主要表現(xiàn)為隨著Pb處理濃度的增加可溶性糖含量增加。隨著處理時間延長，可溶性糖含量緩慢回升，這可能是圓葉無心菜對重金屬脅迫的一種自我調(diào)節(jié)。圓葉無心菜的可溶性糖含量隨著時間的變化，各處理濃度下的含量呈上升的趨勢，分析認為這是由于圓葉無心菜對重金屬Pb的適應，調(diào)節(jié)生理機制來適應重金屬Pb的脅迫。根據(jù)相關(guān)性分析，圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量與Pb處理濃度成顯著正相關(guān)。

游離氨基酸是合成蛋白質(zhì)的基本單位，并參與多種重要生物大分子原料的合成。氨基酸在細胞內(nèi)的代謝有多種途徑，一種是經(jīng)過合成形成蛋白質(zhì)，一種是進行分解代謝[14]。植物體內(nèi)游離氨基酸可以增加細胞液的濃度，對原生質(zhì)具有保護作用[15]。圓葉無心菜的游離氨基酸含量隨著處理時間和處理濃度的增加，各濃度處理下的游離氨基酸含量都呈上升的趨勢。當植物遭受冷、旱等逆境時，其體內(nèi)的蛋白質(zhì)分解加速，游離氨基酸增多[16]。在Pb處理條件下，植物體內(nèi)游離氨基酸可以增加細胞液的濃度，保護自身的原生質(zhì)，所以圓葉無心菜的游離氨基酸含量增加，從而導致根系分泌物中游離氨基酸的含量增加。根據(jù)相關(guān)性分析，圓葉無心菜根系分泌物中游離氨基酸含量與Pb處理濃度成顯著正相關(guān)。

重金屬毒害是礦區(qū)普遍存在且最為嚴重的問題之一[17]，礦山廢棄地土壤結(jié)構(gòu)差，有機質(zhì)含量及植物必需的營養(yǎng)元素 (尤其是氮、磷、鉀)嚴重缺乏，再加上重金屬含量較高，不利于植物生長和其他生物活動，生態(tài)環(huán)境恢復十分困難[18]。某些特殊的金屬型植物 (metallophytes)由于自然選擇的作用，往往能在重金屬污染嚴重的土壤中良好生長[19]。因此，這些植物在重金屬污染土地的植被重建和植物修復中起到?jīng)Q定性的作用[20]。重金屬污染的條件下，會對圓葉無心菜的數(shù)量性狀產(chǎn)生影響。對于重金屬超累積植物而言，較大的生物量是其累積重金屬能力的一個重要方面。在3個時期，Pb對圓葉無心菜數(shù)量性狀有顯著的影響，株高、根長和生物量均先升后降， 超累積植物能適應重金屬污染的環(huán)境，能在污染的介質(zhì)中正常生長[21，22]，低濃度時能促進植物生長，但隨著濃度增加則對植物產(chǎn)生毒害作用。重金屬對植物的毒害，在形態(tài)上主要表現(xiàn)為根、莖生長遲緩和葉片失綠、卷曲。重金屬離子既可以導致植物組織、細胞失水，又可能阻礙植物體內(nèi)水分的運輸，從而影響植物的生長發(fā)育， 影響數(shù)量性狀[23]。

3.2 結(jié)論

（1）圓葉無心菜根系分泌物中可溶性糖含量隨著Pb濃度的增加和處理時間的延長呈上升的趨勢。

（2）隨著處理時間和處理濃度的增加，圓葉無心菜根系分泌物中游離氨基酸含量均呈上升趨勢。

（3）低濃度Pb促進圓葉無心菜的生長，高濃度Pb導致圓葉無心菜的株高、根長和生物量顯著降低；在同一污染條件下，株高、根長和生物量隨時間延長而不斷增加。

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