羅潔文，黃玫英，殷丹陽(yáng)，吳鵬飛，蔡麗平，周垂帆（福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州350002；海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心，福州 350002）

類(lèi)蘆對(duì)鉛鎘的吸收動(dòng)力特性及亞細(xì)胞分布規(guī)律研究

羅潔文，黃玫英，殷丹陽(yáng)，吳鵬飛，蔡麗平，周垂帆*
（福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州350002；海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心，福州 350002）

以南方水土保持植物類(lèi)蘆為研究對(duì)象，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，以Pb、Cd為目標(biāo)污染物，設(shè)置不同的脅迫濃度和時(shí)間，脅迫后測(cè)定類(lèi)蘆體內(nèi)重金屬的含量和亞細(xì)胞分布。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，類(lèi)蘆體內(nèi)重金屬含量與濃度和時(shí)間有顯著的關(guān)系，可利用Freundlich方程和Michaelis-Menten方程進(jìn)行擬合，R2＞0.95，相關(guān)性強(qiáng)。通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，重金屬主要分布在根部，類(lèi)蘆對(duì)Pb的吸收能力更強(qiáng)（最高含量達(dá)到4 687.87 mg·kg-1），但是對(duì)Cd的吸收速率增長(zhǎng)更為明顯，即類(lèi)蘆在吸收Cd方面有一定的潛力。就亞細(xì)胞分布而言，兩種重金屬均主要分布在細(xì)胞壁和可溶組分中，不同濃度和時(shí)間處理下，兩個(gè)組分中的重金屬含量共占總量的60%以上。由此說(shuō)明，類(lèi)蘆對(duì)Pb的吸收能力更強(qiáng)，同時(shí)，類(lèi)蘆通過(guò)改變重金屬的亞細(xì)胞分布來(lái)降低重金屬的毒害作用，維持自身的穩(wěn)態(tài)。

類(lèi)蘆；Pb；Cd；吸收動(dòng)力學(xué)；亞細(xì)胞分布

羅潔文，黃玫英，殷丹陽(yáng)，等.類(lèi)蘆對(duì)鉛鎘的吸收動(dòng)力特性及亞細(xì)胞分布規(guī)律研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（8）：1451-1457.

LUO Jie-wen，HUANG Mei-ying，YIN Dan-yang，et al.Uptake kinetic characteristics and subcellular distribution of Pb2+and Cd2+in Neyraudia reynaudiana ［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（8）：1451-1457.

重金屬污染日趨嚴(yán)重，重金屬污染的治理逐漸引起了人們的重視。其中，Pb、Cd是植物體內(nèi)的非必需元素，這兩種重金屬毒性極強(qiáng)，Pb或Cd脅迫至一定的濃度則可以使植物出現(xiàn)中毒癥狀，如葉片失綠、生長(zhǎng)遲緩、光合作用被抑制、擾亂植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收等［1-2］。植物的防御主要通過(guò)外排作用避免重金屬進(jìn)入細(xì)胞，或是通過(guò)細(xì)胞壁對(duì)重金屬進(jìn)行沉淀、區(qū)隔化，同時(shí)通過(guò)一些配位基團(tuán)、有機(jī)酸、氨基酸以及植物螯合物與重金屬作用，在其進(jìn)入細(xì)胞前減輕其毒害，不同的植物對(duì)Pb、Cd的響應(yīng)過(guò)程和耐性機(jī)制不同［3-4］。植物修復(fù)是近年來(lái)新興的綠色修復(fù)技術(shù)，其中一些生物量大、生長(zhǎng)速度快、對(duì)污染物吸收能力較強(qiáng)但還達(dá)不到超富集植物標(biāo)準(zhǔn)的耐性植物受到了廣泛的關(guān)注。

類(lèi)蘆（Neyraudia reynaudiana）是中國(guó)南方優(yōu)良的水土保持防風(fēng)固土的綠化植物，不僅可在重金屬礦廢棄地上較好生長(zhǎng)，且保持有較高的生物量，在重金屬?gòu)U棄地的惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，其耐干旱、貧瘠、酸、重金屬等，根系發(fā)達(dá)（可長(zhǎng)達(dá)300 cm），莖分蘗力強(qiáng)，生長(zhǎng)快，生物量大（高可達(dá)300 cm左右，直徑約1 cm），能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這些特性使類(lèi)蘆成為能在鉛鋅礦上生長(zhǎng)的幾種植物之一［5］。礦山廢棄地研究［6］發(fā)現(xiàn)其地上部分Pb含量最高可達(dá)773 mg·kg-1，接近Pb超積累植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)（1000 mg·kg-1），且其生物富集系數(shù)0.19～1.69，從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來(lái)看，類(lèi)蘆的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為3.1～21.2。除此之外，研究［7］發(fā)現(xiàn)在添加EDTA螯合劑的情況下，類(lèi)蘆地上部分對(duì)Pb的富集量可高達(dá)11 008 mg·kg-1，是對(duì)照的16.5倍。正是類(lèi)蘆具備的這些特點(diǎn)，使其成為適合南方Pb、Cd重金屬污染的修復(fù)植物。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)類(lèi)蘆開(kāi)展的研究大多集中在水土流失治理、根系固土作用以及其對(duì)干旱和養(yǎng)分脅迫的響應(yīng)等方面［8-9］。但有關(guān)類(lèi)蘆對(duì)重金屬耐性的機(jī)理并不清楚，這成為限制類(lèi)蘆在重金屬污染修復(fù)應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。鑒于此，本文選取南方水土保持先鋒植物類(lèi)蘆為試驗(yàn)材料，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，研究不同Pb、Cd處理濃度、處理時(shí)間下類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd的吸收動(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)Pb、Cd在各亞細(xì)胞組分的分布進(jìn)行分析。本研究旨在探明類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd的吸收動(dòng)力學(xué)規(guī)律，揭示Pb、Cd在類(lèi)蘆細(xì)胞內(nèi)的分布格局，為闡明類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd污染的耐性和富集機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

類(lèi)蘆種子于2015年4月購(gòu)自云南省昆明市某種子公司。同年8月底種植于福建農(nóng)林大學(xué)溫室大棚，10月底在水培實(shí)驗(yàn)前，選擇生長(zhǎng)均一的類(lèi)蘆幼株轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中，移植在泡沫板上并放置于500 mL超純水中培養(yǎng)3～4 d，然后依次用1/2和完全Hoagland培養(yǎng)液在塑料盆中培養(yǎng)3～4 d。培養(yǎng)期間晝/夜溫度為25℃/22℃，光照時(shí)間16 h。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1Pb2+、Cd2+吸收濃度動(dòng)力學(xué)

取成長(zhǎng)到一定程度大小一致的類(lèi)蘆苗，依次用自來(lái)水和去離子水沖洗干凈，用含2 mmol·L-1Mes-Tris和0.5 mmol·L-1CaCl2的預(yù)處理液（用HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH值為5.8）預(yù)培養(yǎng)12 h后，放入含有不同濃度Pb2+/Cd2+［以Pb（NO3）2/CdCl2的形式加入］的2 mmol·L-1Mes-Tris、0.5 mmol·L-1CaCl2（pH5.5）吸收液中培養(yǎng)48 h，濃度分別為0.5、1、5、10、25、50、100、200 μmol·L-1（為避免產(chǎn)生磷酸鉛沉淀，營(yíng)養(yǎng)液中KH2PO4的濃度設(shè)置為0.25 mmol·L-1），每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)處理重復(fù)4棵類(lèi)蘆。類(lèi)蘆苗處理48 h后取出，依次用自來(lái)水和去離子水沖洗根部，放入含有2 mmol·L-1Mes-Tris和5 mmol·L-1CaCl2（pH5.5）的洗脫液中冰水浴30 min。洗脫后的根用去離子水沖洗干凈，吸水紙擦干，分為根部和地上部分，置于烘箱105℃殺青30 min，然后75℃烘干72 h，稱(chēng)重，測(cè)定Pb2+/Cd2+含量。選取Pb2+/Cd2+的濃度分別為0、5、25、200 μmol·L-1處理的鮮樣作亞細(xì)胞組分分析，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2.2Pb2+、Cd2+吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)

基于預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，在Pb2+/Cd2+濃度為25 μmol· L-1時(shí)能夠正常生長(zhǎng)，選取Pb2+/Cd2+濃度為25 μmol·L-1進(jìn)行時(shí)間動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。將類(lèi)蘆預(yù)培養(yǎng)12 h后，置于Pb2+/Cd2+濃度為25 μmol·L-1的吸收液中（含有2 mmol· L-1Mes-Tris、0.5 mmol·L-1CaCl2，pH5.5）培養(yǎng)3、6、12、24、48 h；試驗(yàn)設(shè)置4次重復(fù)，每個(gè)處理重復(fù)6棵類(lèi)蘆。吸收培養(yǎng)后，洗脫，洗凈，擦干，烘干，稱(chēng)重，測(cè)定Pb2+/Cd2+含量；并取鮮樣作亞細(xì)胞組分分析，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3樣品Pb2+、Cd2+總含量的測(cè)定

把地上部分和地下部分烘干至恒量，將干燥的類(lèi)蘆根或類(lèi)蘆葉子粉碎后準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2 g（精確到0.000 1）于50 mL三角瓶中，加混酸（HNO3∶HClO4=5∶1）10 mL，在電爐上加熱至冒白煙，用1%的稀硝酸定容至25 mL容量瓶中，然后用原子吸收法測(cè)定Pb2+/Cd2+含量。1.4樣品亞細(xì)胞組分Pb2+、Cd2+含量的測(cè)定

采用差速離心法分離不同的細(xì)胞組分，參考周小勇等［10］的方法，具體步驟為：準(zhǔn)確稱(chēng)取鮮樣0.2 g，加入20 mL提取液［0.25 mol·L-1蔗糖+50 mmol·L-1Tris-HCl緩沖液（pH 7.5）+1 mmol·L-1二硫赤鮮糖醇］，液氮研磨勻漿，勻漿液在冷凍離心機(jī)300 r·min-1下離心1 min，沉淀為細(xì)胞壁組分（F1）；上清液在2000 r·min-1下離心15 min，沉淀為細(xì)胞核和葉綠體組分（F2）；上清液在10 000 r·min-1下離心20 min，沉淀為線粒體組分（F3）；上清液為含核糖體的可溶組分（F4），全部操作在4℃下進(jìn)行。各組分采用1.3節(jié)中的方法進(jìn)行消解，定容至10 mL后測(cè)定Pb、Cd含量。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)為3次重復(fù)樣品測(cè)定結(jié)果的平均值（含標(biāo)準(zhǔn)差）。運(yùn)用Excel 2007和SPSS 18進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比較，用SNK法對(duì)處理間數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，以P＜0.05表示處理間差異顯著，并用Origin 9.2作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收濃度動(dòng)力學(xué)

在Pb、Cd處理下，隨著重金屬濃度的增加，類(lèi)蘆葉片和根對(duì)Pb、Cd的吸收都呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd的吸收在200 μmol·L-1下，經(jīng)過(guò)48 h的處理后仍未達(dá)到飽和。類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+吸收動(dòng)力學(xué)曲線呈線性、非飽和曲線，用Freundlich方程對(duì)類(lèi)蘆葉片吸收Pb、Cd曲線進(jìn)行擬合，修改后的方程為［11］：

Q=KfXn

式中：Q為吸收量，mg·kg-1；X為溶液中Pb2+、Cd2+的濃度，μmol·L-1；Kf為與吸收量有關(guān)的常數(shù)；n為吸收曲線斜率。Kf和n都由實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析得出。

由圖1可知，類(lèi)蘆葉片吸收Pb2+、Cd2+可以采用Freundlich方程擬合，相關(guān)系數(shù)高。擬合得到的方程為：

Pb處理：Q=34.34X0.23

Cd處理：Q=2.91X0.44

擬合方程在坐標(biāo)上的截距為Kf值，對(duì)于重金屬的吸收情況而言，類(lèi)蘆吸收Pb的Kf值大于Cd的Kf值，說(shuō)明類(lèi)蘆在重金屬吸收中具有選擇性，相同濃度脅迫下，類(lèi)蘆能更多地富集重金屬Pb。另外，n為曲線的斜率，在48 h的脅迫時(shí)間內(nèi)，類(lèi)蘆吸收Cd的n值大于Pb的n值，說(shuō)明類(lèi)蘆吸收Cd的速率增長(zhǎng)得更快。

類(lèi)蘆根系對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收曲線（其中，Pb只對(duì)濃度0～100 μmol·L-1進(jìn)行擬合）可利用Michaelis-Menten方程進(jìn)行擬合［12］：

VC=Vmax×X/（Km+X）

式中：VC是吸收速率，mol·g-1·h-1；X是溶液中Pb2+、Cd2+的濃度，μmol·L-1；Vmax是最大吸收速率，mol·g-1· h-1；Km是方程的速率常數(shù)，μmol·L-1，Km值代表了根系對(duì)離子的親和力，該值越小，親和力越高。根吸收力α=Vmax/Km，表示根系對(duì)離子的實(shí)際吸收能力，α值越大，表明根系對(duì)離子的吸收能力越強(qiáng)。

根據(jù)方程的擬合效果（圖2）及參數(shù)（表1），相關(guān)系數(shù)R2＞0.95，說(shuō)明該方程能很好地?cái)M合吸收曲線。類(lèi)蘆根系對(duì)Pb2+、Cd2+的親和值Km相近，而最大吸收速率Vmax有較大的差異，類(lèi)蘆吸收Cd的α值明顯高于Pb的α值，說(shuō)明類(lèi)蘆根系對(duì)Cd吸收能力更強(qiáng)。但是此吸收規(guī)律僅對(duì)于Pb濃度為0～100 μmol·L-1而言，當(dāng)Pb濃度達(dá)到200 μmol·L-1，根系大量富集Pb，其含量達(dá)到4 687.86 mg·kg-1，說(shuō)明類(lèi)蘆對(duì)Pb有較高的耐受和富集能力。

2.2類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)

吸收液中Pb2+、Cd2+濃度為25 μmol·L-1時(shí)，類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的積累量都隨時(shí)間的增加而增加，并且都能用修改的Freundlich方程進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)R2＞0.95，擬合性好，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，在吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中（3～48 h），類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收量基本保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，根部隨時(shí)間增長(zhǎng)大量富集Pb、Cd，處理48 h后，根部吸收的Pb、Cd分別是葉片的3.2倍和13.72倍。而由表2可知，類(lèi)蘆吸收Pb的Kf值大于Cd的Kf值，說(shuō)明在3～48 h內(nèi)，類(lèi)蘆能更多地富集重金屬Pb。但是在曲線斜率n上，類(lèi)蘆吸收Cd的n值均大于Pb的n值，說(shuō)明相對(duì)而言，類(lèi)蘆吸收Cd的速率增長(zhǎng)得更快、更明顯。

圖1　類(lèi)蘆葉片對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收速率與溶液濃度的關(guān)系Figure 1 Concentration-dependent Pb2+，Cd2+influx kinetics in leaves of Neyraudia reynaudiana

圖2　類(lèi)蘆根系對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收速率與溶液濃度的關(guān)系Figure 2 Concentration-dependent Pb2+，Cd2+influx kinetics in roots of Neyraudia reynaudiana

表1　Michaelis-Menten方程擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for Michaelis-Menten equation

2.3Pb2+、Cd2+在類(lèi)蘆體內(nèi)的亞細(xì)胞分布

通過(guò)差速離心分離法，將類(lèi)蘆葉片和根細(xì)胞分別分離出四部分，并對(duì)Pb2+、Cd2+在類(lèi)蘆體內(nèi)的分布進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，沒(méi)有Pb、Cd脅迫時(shí)，植物體內(nèi)只有少量的Cd分布于細(xì)胞壁（可能是培育的土壤受到了輕微Cd污染），并且沒(méi)有檢測(cè)出Pb。從總量來(lái)說(shuō)，根中的重金屬含量基本高于葉片中的含量，Pb在植物體內(nèi)的含量高于Cd的含量，在不同Pb2+、Cd2+濃度脅迫時(shí)（表3），Pb、Cd在細(xì)胞壁組分（F1）和含核糖的可溶組分（F4）的分布最高，占61.98%～100%，其次為細(xì)胞核和葉綠體組分（F2），僅有少量分布在線粒體組分（F3），這說(shuō)明細(xì)胞壁和含核糖體可溶組分是Pb、Cd在類(lèi)蘆體內(nèi)的主要分布位點(diǎn)，只有少量分布于細(xì)胞核和葉綠體以及線粒體等細(xì)胞器中，說(shuō)明Pb、Cd的脅迫使細(xì)胞壁對(duì)重金屬的滯留作用顯著增強(qiáng)。同是類(lèi)蘆葉片，Cd主要分布在F1中，在低濃度脅迫時(shí)，該組分中的Cd含量達(dá)到74.76%，但隨著Cd濃度的增加，部分金屬轉(zhuǎn)移到F4中，而Pb在類(lèi)蘆體內(nèi)的比例并沒(méi)有明顯的變化。根系狀況與葉片有所不同，高濃度Pb脅迫下，Pb在細(xì)胞壁中大量富集，Pb濃度為200 μmol· L-1時(shí)，在此組分的含量達(dá)到最高，為1 096.49 mg·kg-1，所占比例為90.43%，同時(shí)減少了Pb在其他組分中的分配比例，說(shuō)明細(xì)胞壁為促進(jìn)植物進(jìn)行正常生理活動(dòng)發(fā)揮了作用。而Cd在類(lèi)蘆根部的分布，隨著Cd濃度的增加，其在F1組分中的比例下降，在200 μmol·L-1時(shí)降至44.63%，而F4的比例上升，說(shuō)明部分Cd從F1組分轉(zhuǎn)移到F4組分中。

表2　Freundlich方程的擬合Table 2 Fitting parameters for Freundlich equation

圖3　類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收速率與時(shí)間的關(guān)系Figure 3 Time-dependent Pb2+，Cd2+influx kinetics in roots and leaves of Neyraudia reynaudiana

在Pb、Cd不同時(shí)間處理下（表4），類(lèi)蘆吸收Pb的總量仍高于吸收Cd的量，植物體內(nèi)F1與F4組分中Pb、Cd的含量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，Pb、Cd在這兩個(gè)組分中所占比例最高，占總量的59.88%～100%。在48 h處理時(shí)間內(nèi)，Cd在F2、F3組分含量極低，儀器未能檢測(cè)出其含量，而Pb在F2和F3中的含量在類(lèi)蘆不同部位變化趨勢(shì)不一。同在類(lèi)蘆葉片，從Pb、Cd含量所占的百分比來(lái)看，Pb在F1組分中的比例下降而F4組分比例增加，而Cd則相反，隨著處理時(shí)間的增加，F(xiàn)1組分中從100%降至80.56%，F(xiàn)4組分從0%增加至19.44%。Cd在根系中的分布比例狀況與葉片中的相似，且含量與時(shí)間有顯著的關(guān)系（P＜0.05），而Pb在根F1組分中的比例隨時(shí)間的增長(zhǎng)先升后降，F(xiàn)4的比例呈上升趨勢(shì)，F(xiàn)2、F3組分所占比例呈下降趨勢(shì)。上述結(jié)果表明，隨著脅迫時(shí)間的增加，類(lèi)蘆根細(xì)胞壁能將大部分Pb、Cd吸附在細(xì)胞壁上，并且類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd的吸收具有一定的動(dòng)態(tài)變化。

表3　不同濃度處理下Pb2+、Cd2+在類(lèi)蘆體內(nèi)的亞細(xì)胞分布（mg·kg-1）Table 3 Subcellular distribution of Pb2+and Cd2+in Neyraudia reynaudiana under different concentrations（mg·kg-1）

3　討論

3.1類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的吸收規(guī)律

一般而言，植物通過(guò)根際吸收重金屬元素，并將其輸送和富集到地上部分，在本研究中，類(lèi)蘆體內(nèi)重金屬含量與濃度和時(shí)間有顯著的相關(guān)性，類(lèi)蘆根系吸收溶液中的重金屬，并轉(zhuǎn)移到葉片中。經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，可利用Freundlich方程和Michaelis-Menten方程對(duì)吸收量和吸收速率進(jìn)行擬合。從擬合方程對(duì)比來(lái)看，類(lèi)蘆對(duì)Pb有更強(qiáng)的敏感性，吸附量更高，但對(duì)Cd的吸收速率更為顯著，類(lèi)蘆吸收Cd有一定的潛力。類(lèi)蘆根中可以積累較大量的Pb2+、Cd2+，并且這兩種重金屬濃度在根中均高于葉片中的濃度，這跟以往關(guān)于植物吸收重金屬的研究一致［13］，可能是重金屬?gòu)母降厣喜糠诌h(yuǎn)距離轉(zhuǎn)運(yùn)而導(dǎo)致的。當(dāng)溶液中重金屬濃度達(dá)到200 μmol·L-1時(shí)，Cd在類(lèi)蘆葉片中的含量為31.10 mg·kg-1，根中含量達(dá)到465.43 mg·kg-1，約為葉片含量的15倍；而Pb在類(lèi)蘆體內(nèi)的分布差異更為顯著，其在葉片中含量為118.65 mg·kg-1時(shí)，在根中大量富集，達(dá)到4 687.87 mg·kg-1，是葉片中含量的39.5倍。由此可見(jiàn)，水培條件下根系是類(lèi)蘆主要富集Pb、Cd的部分，而類(lèi)蘆對(duì)Pb2+具有較高的選擇性，其中可能是有一些通道對(duì)Pb有特定的吸附能力，還有待進(jìn)一步的研究。

3.2類(lèi)蘆對(duì)Pb2+、Cd2+的耐性機(jī)制

植物根系吸收離子主要是通過(guò)細(xì)胞外空間（質(zhì)外體）或經(jīng)由胞質(zhì)（通過(guò)共質(zhì)體），在本試驗(yàn)中，細(xì)胞壁結(jié)合部分（質(zhì)外體途徑）會(huì)干擾Pb2+、Cd2+流進(jìn)細(xì)胞質(zhì)的量，原則上，細(xì)胞壁吸附的重金屬不能被認(rèn)為是真正的吸收，因此，利用洗脫液去除細(xì)胞壁松散的Pb2+、Cd2+后再作進(jìn)一步分析［12］。細(xì)胞壁是重金屬離子進(jìn)入植物體的第一道屏障，它與重金屬的結(jié)合作用是植物耐重金屬的原因之一，大量有害重金屬沉積在植物細(xì)胞壁，能阻止重金屬對(duì)細(xì)胞內(nèi)溶物的傷害。由于重金屬離子被固定在細(xì)胞壁上，不能進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)影響細(xì)胞內(nèi)的代謝活動(dòng)，使植物對(duì)重金屬表現(xiàn)出耐性［3，14］。有學(xué)者分別對(duì)礦山生態(tài)型的東南景天和少根紫萍進(jìn)行研究，同樣發(fā)現(xiàn)重金屬鎘或鈾都主要分布在細(xì)胞壁上［15-16］。在本試驗(yàn)中，洗脫后類(lèi)蘆根細(xì)胞壁仍有較高的量，說(shuō)明類(lèi)蘆根細(xì)胞壁對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附能力較強(qiáng)，同時(shí)，進(jìn)入植物葉片和根部的Pb、Cd主要分布在細(xì)胞壁上且一直保持較高的比例，僅有少量分布在細(xì)胞核和線粒體等組分，可能是因?yàn)楦?xì)胞壁中固定了大量Pb、Cd，減少了重金屬的流通量，減弱了Pb、Cd向地上部分遷移的能力。這些說(shuō)明了可能是由于凱氏帶的存在，離子在進(jìn)入中柱之前，必須首先進(jìn)入共質(zhì)體，而凱氏帶則能有效減少重金屬離子進(jìn)入的量［17］。

表4　不同時(shí)間處理下Pb2+、Cd2+在類(lèi)蘆體內(nèi)的亞細(xì)胞分布（mg·kg-1）Table 4 Subcellular distribution of Pb2+and Cd2+in Neyraudia reynaudiana under different stress times（mg·kg-1）

Pb、Cd進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)會(huì)進(jìn)一步分布到各種細(xì)胞器中，在本試驗(yàn)中，F(xiàn)4組分在總量中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，F(xiàn)4組分為含核糖的可溶性組分，主要由液泡和細(xì)胞質(zhì)兩部分組成。隨著Pb、Cd濃度的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞壁沉淀達(dá)到飽和及細(xì)胞質(zhì)膜斷裂后，多余的Pb、Cd便進(jìn)入原生質(zhì)體內(nèi)，進(jìn)入原生質(zhì)中的重金屬可通過(guò)向液泡輸送來(lái)降低其在原生質(zhì)體中的濃度，使植物表現(xiàn)出耐性。液泡是植物細(xì)胞代謝副產(chǎn)品及廢物囤積場(chǎng)所，其含有的多種蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、有機(jī)堿等物質(zhì)都能與重金屬結(jié)合，使重金屬離子在細(xì)胞內(nèi)被區(qū)隔化，從而明顯降低了細(xì)胞質(zhì)中游離重金屬離子的濃度［18］。因此，類(lèi)蘆在受到重金屬脅迫時(shí)，部分Pb、Cd向可溶組分轉(zhuǎn)移，可能是類(lèi)蘆通過(guò)改變Pb、Cd在亞細(xì)胞組分中的分布以增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐受性。

類(lèi)蘆具有的對(duì)Pb、Cd富集能力、耐受性及生物量大等特點(diǎn)，或能使其成為植物修復(fù)的潛能植物。而目前，在植物修復(fù)方面，超積累植物與非超積累植物最大的區(qū)別在于其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力，對(duì)生物量大而富集量一般的耐性植物而言，EDTA、DTPA、有機(jī)肥等螯合劑，尤其是胡敏酸等天然螯合劑得到了廣泛的使用，這些螯合劑能促使植物將大量的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分［19］。但是何種螯合劑能促進(jìn)類(lèi)蘆對(duì)重金屬的吸收，螯合劑在類(lèi)蘆體內(nèi)的螯合機(jī)制，以及是否對(duì)環(huán)境有潛在的風(fēng)險(xiǎn)等仍需進(jìn)一步的討論和深入的研究。

4　結(jié)論

（1）類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd吸收隨著濃度和時(shí)間的增加而增加，吸收的Pb、Cd主要分布在植物的根部，在相同濃度和時(shí)間處理下，類(lèi)蘆體內(nèi)的Pb明顯比Cd含量高，但是對(duì)Cd的吸收有一定的潛力。類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd的吸收規(guī)律能夠利用Freundlich方程和Michaelis-Menten方程進(jìn)行擬合。

（2）細(xì)胞壁是Pb、Cd在類(lèi)蘆細(xì)胞內(nèi)主要的分布位點(diǎn)，尤其是Pb在植物根中最高能達(dá)到90.43%，其次是可溶組分，細(xì)胞核、葉綠體組分和線粒體組分含量較低。重金屬在類(lèi)蘆體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布使得類(lèi)蘆對(duì)Pb、Cd有一定的耐性，維持了植物自身的穩(wěn)態(tài)。

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Uptake kinetic characteristics and subcellular distribution of Pb2+and Cd2+in Neyraudia reynaudiana

LUO Jie-wen，HUANG Mei-ying，YIN Dan-yang，WU Peng-fei，CAI Li-ping，ZHOU Chui-fan*
（College of Forestry，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China；Co-innovation Center for Soil and Water Conservation in Red Soil Region of the Cross-straits，F(xiàn)uzhou 350002，China）

Neyraudia reynaudiana is a soil-conservating plant and can grow well in heavy metal polluted soils.Here a solution culture experiment was conducted to examine uptake and subcellular distrubution of Pb and Cd in the plant under different metal levels and stress times.Results showed that the uptake of Pb and Cd by N.reynaudiana increased with heavy metal concentrations and stress time.Freundlich and Michaelis-Menten equations fit the data very well，R2＞0.95.It was also revealed that heavy metals were mainly distributed in the roots.Neyraudia reynaudiana had greater absorption ability for Pb（the highest content reached to 4 687.87 mg·kg-1），but higher absorption rate for Cd.For subcellular distribution，Pb and Cd were mainly distributed in the cell walls and soluble constituents.Under different concentrations and stress times of Pb and Cd，the Pb/Cd content in cell wall and soluble constituent subcellular components accounted for over 60%of the total.Therefore，N.reynaudiana has stronger absorption ability of Pb，and it could change the subcellular distribution of heavy metals to reduce the toxicity of heavy metals for maintaining its steady state.This study provides theoretical support for screening phytoremediation materials.

Neyraudia reynaudiana；Pb；Cd；absorption kinetics；subcellular distribution

X503.23

A

1672-2043（2016）08-1451-07

10.11654/jaes.2016-0202

2016-02-19

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAD15B02）；農(nóng)業(yè)高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目（2013N5002）；福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃（2015）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013J01073）

羅潔文（1991—），女，碩士研究生，主要從事生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：ellenlll@163.com

周垂帆E-mail：zhouchuifan@163.com