劉 帥 ，吳志超 ，趙亞榮 ，張衛(wèi)杰 ，王富華 *

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測(cè)中心，廣州 510640；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

鎘（Cd）是一種生物毒性較強(qiáng)的重金屬元素，是國(guó)際勞動(dòng)衛(wèi)生重金屬委員會(huì)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署認(rèn)定的重點(diǎn)污染物[1]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu)，Cd污染物位點(diǎn)超標(biāo)率達(dá)到7.0%[2]。蔬菜產(chǎn)業(yè)作為近幾年來(lái)我國(guó)綠色食品發(fā)展迅速的產(chǎn)業(yè)之一，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，而產(chǎn)地環(huán)境Cd污染問(wèn)題是蔬菜食用安全所面臨的主要問(wèn)題。土壤中Cd積累到一定水平時(shí)，就會(huì)毒害土壤-植物系統(tǒng)，致使土壤退化，作物生長(zhǎng)遲緩、矮小，產(chǎn)量品質(zhì)下降[3]，更為嚴(yán)重的是重金屬Cd會(huì)通過(guò)農(nóng)作物的吸收富集作用，經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，影響人體健康。人體的微量元素主要通過(guò)食物攝取，蔬菜中微量元素含量直接關(guān)系到人體健康。微量元素在作物體內(nèi)含量雖少，但對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的作用，它是組成酶、維生素和生長(zhǎng)激素的成分，直接參與了植物體的新陳代謝。如Fe直接參與電子傳遞、氧化脅迫、固氮作用、激素合成等過(guò)程；Mn是許多酶類(lèi)的輔因子，參與PSⅡ的氧化過(guò)程和蛋白質(zhì)的代謝；Cu參與質(zhì)體藍(lán)素和蟲(chóng)漆酶的合成，同時(shí)在逆境脅迫和細(xì)胞壁代謝中發(fā)揮重要的作用；Zn是電子傳遞上重要輔酶因子，與植物抗氧化性和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄有關(guān)[4]。許多研究表明，環(huán)境中的Cd濃度超過(guò)一定限量就會(huì)影響植株對(duì)微量元素的吸收，破壞植物體內(nèi)微量元素的平衡。如，當(dāng)根際介質(zhì)中Cd含量逐漸升高時(shí)：蕹菜根系Zn含量增加，而Fe、Mn和Cu含量則呈現(xiàn)“先升后降”趨勢(shì)[5]；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，上海青地上部Fe、Cu和Zn的含量則趨于降低[6]。

硒（Se）是人類(lèi)、動(dòng)物必需的微量元素，缺Se會(huì)導(dǎo)致人群中出現(xiàn)大骨頭病、克山病等病癥[7]，同時(shí)Se也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的有益元素，在植物抗逆境脅迫（尤其是重金屬脅迫）中發(fā)揮重要作用[8]。許多研究表明，在Cd污染環(huán)境中，施Se可以增強(qiáng)植物抗氧化性和對(duì)重金屬的耐受性，但現(xiàn)階段關(guān)于Se阻控植物富集重金屬效應(yīng)主要表現(xiàn)在降低重金屬生物有效性，改善蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分平衡，提高逆境脅迫等方面[7，9-10]，而對(duì)Se是如何調(diào)控微量元素在根系吸收及在木質(zhì)部運(yùn)輸、積累的作用機(jī)理研究還不完善。基于上述原因，本試驗(yàn)采用水培形式，通過(guò)研究Cd脅迫下菜心（Brassica campestris L.ssp.chinensis var.Utilis）根系吸收（共質(zhì)體途徑與質(zhì)外體途徑）和木質(zhì)部運(yùn)輸（木質(zhì)液濃度）微量元素與菜心各組織微量元素分配的對(duì)比分析，以期揭示外源Se對(duì)菜心吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)微量元素的影響，對(duì)探討Se調(diào)控蔬菜微量元素的吸收、遷移和積累及其拮抗重金屬脅迫機(jī)理具有一定的借鑒價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 植株培養(yǎng)

水培試驗(yàn)于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豐實(shí)驗(yàn)基地中進(jìn)行，供試材料為廣東省主栽菜心品種——特選種19號(hào)四九菜心，購(gòu)于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所。菜心種子經(jīng)消毒、蒸餾水浸泡處理后播于濕潤(rùn)的紗布上，于28℃黑暗條件下萌發(fā)育苗一周。后挑選生長(zhǎng)一致的幼苗移栽至裝有6 L營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)箱中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，每盆12株，完全營(yíng)養(yǎng)液采用Hoagland-Arnon營(yíng)養(yǎng)液。預(yù)培養(yǎng) 10 d 后，開(kāi)始添加 Cd（1、5 μmol·L-1）和 Se（1、5 μmol·L-1），其中 Cd 以 CdCl2的形式加入，Se以Na2SeO3的形式加入。試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，分別為 CK、Cd1、Cd1Se1、Cd1Se5、Cd5、Cd5Se1、Cd5Se5，每個(gè)處理重復(fù)4次。每5 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，持續(xù)通氣，營(yíng)養(yǎng)液pH用HCl和NaOH調(diào)至6.5～7.0；幼苗置于光周期為16 h/8 h、溫度20～25℃環(huán)境下生長(zhǎng)。待添加各處理培養(yǎng)3周后收集待測(cè)樣品。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 植株干重的測(cè)定

收獲的全株植物用自來(lái)水沖洗，以植株基部為準(zhǔn)分離地上部及根部。根先置于20 mmol·L-1乙二胺四乙酸鈉（EDTA-Na2）浸泡20 min，經(jīng)蒸餾水沖洗后與地上部組織于105℃殺青30 min，68℃下烘干，用千分之一天平稱(chēng)重，備用。

1.2.2 地上部、根部微量元素含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)的測(cè)定

參照Wu等[11]的方法：準(zhǔn)確稱(chēng)取植株不同部位干樣0.2 g左右于50 mL燒杯中，加入10 mL混酸[硝酸∶高氯酸（V/V）=4∶1]，在 180 ℃消解至澄清，用蒸餾水定容到 25 mL，利用 ICP-MS（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，Agilent 7900）測(cè)定各微量元素含量（mg·kg-1）。

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=地上部各微量元素含量（mg·kg-1）/根部各微量元素含量（mg·kg-1）。

1.2.3 根部質(zhì)外體、共質(zhì)體及細(xì)胞壁中微量元素含量的測(cè)定

參照顧明華等[12]的方法：稱(chēng)取已切成2～3 mm的新鮮根部樣品1.0 g左右，加入10 mL 5 mmol·L-1的CaCl2溶液（pH=6.0），振蕩提取2.5 h后用紗布過(guò)濾，反復(fù)提取3次，得到質(zhì)外體提取液。將過(guò)濾后的殘根放置于-75℃下冷凍3 d，自然解凍破壞細(xì)胞膜，按上述質(zhì)外體方法提取3次，得到共質(zhì)體提取液。后將殘根用蒸餾水洗滌3次，加入10 mL混酸消解得細(xì)胞壁提取液。利用ICP-MS（Agilent 7900）測(cè)定根部質(zhì)外體、共質(zhì)體及細(xì)胞壁中各微量元素含量（mg·kg-1）。

1.2.4 木質(zhì)液微量元素濃度測(cè)定

參照吳志超[13]的方法：挑選6株長(zhǎng)勢(shì)一致的菜心植株，在離根部2 cm處用刀片切去菜心地上部，斷莖處套上10 cm左右橡皮管，并將已彎好的一端引流至10 mL刻度管中，起始1～2 μL丟棄以免傷流干擾，采集時(shí)間為11：00—14：00。準(zhǔn)確吸取0.5 mL收集液并定容，利用ICP-MS（Agilent 7900）測(cè)定木質(zhì)部中微量元素濃度（mg·L-1）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析（ANOVA），應(yīng)用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析，以小寫(xiě)英文字母表示多重比較結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 Se對(duì)Cd脅迫下菜心地上部、根部生物量（DW）的影響

表1反映了Cd脅迫下，Se處理對(duì)菜心地上部、根部生物量的影響。由表可知，單一低Cd脅迫可提高菜心不同組織的生物量；而高Cd脅迫下則相反，地上部和根部干重相比CK分別減少了23.9%和16.7%。Cd脅迫下施加外源性Se處理后，對(duì)菜心生物量具有促進(jìn)效果，其中低Cd脅迫下施用1 μmol·L-1Se時(shí)增幅最大，地上部、根部顯著增加了29.5%和41.1%；高鎘脅迫時(shí)，施Se后地上部、根部生物量有增加趨勢(shì)，其中5 μmol·L-1Se時(shí)與單一高鎘脅迫相比顯著提高了21.6%和56.3%。

2.2 Se對(duì)Cd脅迫下菜心各組織（根部和地上部）微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn）含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

表2為施Se對(duì)低鎘和高鎘脅迫下菜心地上部、根部微量元素含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響。從表2可知，微量元素在根部含量均高于地上部，結(jié)果符合植物對(duì)礦質(zhì)元素積累規(guī)律。低Cd脅迫時(shí)，地上部Mn和Zn的含量顯著增加38.8%和22.1%；而高Cd脅迫時(shí)，地上部Fe、Mn、Cu、Zn含量與 CK相比則分別降低了7.4%、16.2%、20.2%和24.3%。另外，低濃度Cd脅迫時(shí)，菜心根部Fe和Cu含量上升，而Mn和Zn的含量降低；高濃度的Cd脅迫時(shí)，根系中Mn和Zn含量顯著降低36.2%和17.3%，但Cu含量顯著增加69.7%。另外，各微量元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)在低Cd脅迫時(shí)普遍大于高鎘脅迫，此時(shí)Mn和Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)與CK相比分別顯著增加了59.6%和23.9%；而高濃度Cd對(duì)Cu轉(zhuǎn)運(yùn)的抑制作用最為明顯，使其轉(zhuǎn)移系數(shù)降低了53.9%。

同時(shí)從表2可知，Cd脅迫下，施Se處理改變了菜心對(duì)微量元素的吸收、運(yùn)輸。低Cd脅迫下，施用5 μmol·L-1Se時(shí)與單一低Cd脅迫相比，地上部Fe、Cu含量分別增加了18.7%和8.9%，而根部Fe和Cu則分別減少29.5%和20.4%；同時(shí)，地上部Mn、Zn在施1 μmol·L-1Se時(shí)顯著降低 20.1%、14.0%，但根部含量變化不明顯。高Cd脅迫下，施用5 μmol·L-1Se時(shí)地上部 Fe、Cu、Zn含量分別顯著增加 19.8%、46.7%和26.2%，Mn增加7.3%；根部Mn、Cu、Zn含量則在施Se處理后增加趨勢(shì)不顯著，然而Fe含量在施1 μmol·L-1Se后顯著降低了17.2%。另外，表中也可看出施Se處理后，菜心組織內(nèi)Fe、Cu和Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)有增加趨勢(shì)，而對(duì)Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)無(wú)明顯影響。

2.3 Se對(duì)Cd脅迫下菜心根系質(zhì)外體、共質(zhì)體、細(xì)胞壁Fe、Mn、Cu、Zn 含量的影響

當(dāng)環(huán)境中Cd濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)對(duì)根系產(chǎn)生毒害作用，表3至表6反映了Cd脅迫下，施Se處理對(duì)根系微量元素在共質(zhì)體、質(zhì)外體和細(xì)胞壁中含量及其分配比例的影響。從表中可知，高濃度Cd脅迫下，質(zhì)外體中Fe、Mn、Zn含量與CK相比分別降低了20.4%、23.8%和16.4%，共質(zhì)體中則分別下降了20.7%、11.7%和27.2%，但此時(shí)根系質(zhì)外體和共質(zhì)體中Cu的含量卻提高了48.2%和154.9%。另外，細(xì)胞壁中含量因元素種類(lèi)不同表現(xiàn)出的差異不同，高Cd脅迫下，菜心細(xì)胞壁中Fe、Mn、Zn含量普遍降低，Cu含量卻增加。同時(shí)，低Cd脅迫增強(qiáng)了微量元素向共質(zhì)體的轉(zhuǎn)移，普遍增加了共質(zhì)體中各微量元素的分配比例；而高Cd脅迫時(shí)，共質(zhì)體中Fe、Mn、Zn分配比例相較于CK有所降低，但Cu的分配比例從3.4%提高到7.4%。可見(jiàn)，鎘脅迫破壞了微量元素在細(xì)胞壁中的平衡，尤其是在高Cd脅迫下。

從表3至表6中可得，低Cd脅迫下，根系各微量元素含量變化趨勢(shì)隨著施Se濃度的增加而不同，質(zhì)外體中Mn、Cu、Zn以及共質(zhì)體中Cu和Zn含量在施Se后增加差異不明顯，而細(xì)胞壁中Mn含量則顯著降低。施5 μmol·L-1Se時(shí)，與單一低Cd脅迫相比，共質(zhì)體中Cu、Zn含量分別提高了21.2%和10.3%，細(xì)胞壁中Mn含量則降低了19.1%。高Cd脅迫時(shí)，質(zhì)外體中 Fe、Cu、Zn 以及共質(zhì)體中 Fe、Mn、Cu、Zn 含量隨施Se濃度的增加均有不同程度的提高，說(shuō)明施Se處理普遍增強(qiáng)了微量元素在根系中質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑的運(yùn)輸；施用 5 μmol·L-1Se時(shí)，菜心根系質(zhì)外體中Fe、Cu、Zn含量與單一高Cd脅迫相比分別提高了16.9%、34.9%和26.0%，共質(zhì)體中 Fe、Mn、Cu和 Zn含量則提高了13.3%、13.6%、41.9%和28.3%；另外，細(xì)胞壁中Fe和Cu含量在施Se后無(wú)明顯變化，但施5 μmol·L-1Se時(shí)，細(xì)胞壁中Mn含量顯著降低43.7%，且Zn含量提高了42.3%。同時(shí)，從表可知，低Cd脅迫下增大施Se濃度時(shí)，根系細(xì)胞壁中Mn和Cu的分配比例有下降趨勢(shì)，質(zhì)外體和共質(zhì)體中的分配比例則相應(yīng)增加。高Cd脅迫下，施Se處理普遍增大了質(zhì)外體和共質(zhì)體中Fe、Mn、Cu的分配比例，降低了細(xì)胞壁中這3種元素的比例，卻增加了細(xì)胞壁中Zn的分配比例。

表3 根系質(zhì)外體、共質(zhì)體和細(xì)胞壁中Fe含量及分配比例Table 3 Concentration and distribution of Fe in the root apoplast，symplast，and cell walls

表4 根系質(zhì)外體、共質(zhì)體和細(xì)胞壁中Mn含量及分配比例Table 4 Concentration and distribution of Mn in the root apoplast，symplast，and cell walls

表5 根系質(zhì)外體、共質(zhì)體和細(xì)胞壁中Cu含量及分配比例Table 5 Concentration and distribution of Cu in the root apoplast，symplast，and cell walls

表6 根系質(zhì)外體、共質(zhì)體和細(xì)胞壁中Zn含量及分配比例Table 6 Concentration and distribution of Zn in the root apoplast，symplast，and cell walls

2.4 Se對(duì) Cd脅迫下菜心木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn) Fe、Mn、Cu、Zn的影響

表7顯示了不同施Se處理對(duì)木質(zhì)液中微量元素濃度的影響。從表中可知，隨著Cd脅迫加強(qiáng)，木質(zhì)液中Fe、Mn和Zn濃度表現(xiàn)出“先升后降”趨勢(shì)，而Cu表現(xiàn)降低趨勢(shì)；5 μmol·L-1Cd 脅迫時(shí)木質(zhì)液中 Fe、Cu、Zn濃度分別降低了6.1%、26.0%、22.4%。低Cd脅迫下施Se后，木質(zhì)液中各微量元素濃度變化趨勢(shì)有所不同，但都未表現(xiàn)出顯著差異。高Cd脅迫下施Se處理后，木質(zhì)液中Fe、Cu、Zn濃度有增加趨勢(shì)，且施用5 μmol·L-1Se時(shí)與單一高Cd脅迫相比增加了9.8%、44.2%和16.9%，其中Cu和Zn達(dá)到顯著水平，但對(duì)Mn無(wú)明顯影響。

表7 木質(zhì)部中微量元素的濃度Table 7 Concentration of trace elements in the xylem

3 討論

3.1 Se對(duì)Cd脅迫下菜心生物量的影響

重金屬Cd脅迫時(shí)，蔬菜生物量是反映植株耐受強(qiáng)度的重要指標(biāo)。有研究表明，低濃度的Cd對(duì)蔬菜生長(zhǎng)有一定的刺激作用，如1 μmol·L-1Cd能夠促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)，提高其生物量[14]。然而，高濃度Cd會(huì)使無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素流失，干擾植物生理機(jī)能，影響植物新陳代謝，進(jìn)而減少其生物量[15]。另外，已有相關(guān)研究表明，Se可緩解菠菜[16]、小白菜[17]等蔬菜Cd毒害，增加作物生物量。本試驗(yàn)中，單一Cd處理菜心時(shí)，地上部、根部干重變化也出現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象，說(shuō)明5 μmol·L-1的Cd已對(duì)菜心產(chǎn)生毒害作用。另外，Cd脅迫下施Se處理后，地上部、根部干重均有不同程度增加?？梢?jiàn)，施Se對(duì)促進(jìn)菜心生長(zhǎng)、緩解鎘毒害具有一定的效果。

3.2 Se對(duì)Cd脅迫下菜心組織微量元素分配的影響

蔬菜根系是吸收微量元素的重要部位，而地上部（可食部分）含量是判斷營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高低的重要指標(biāo)，微量元素平衡遭到破壞則直接影響到植株的生長(zhǎng)發(fā)育及其質(zhì)量品質(zhì)。為了更好地比較菜心不同部位微量元素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系，用轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)表示微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn）在菜心組織中的分布特征規(guī)律，反映出根部吸收后轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力[18]。許多文獻(xiàn)指出，鎘脅迫能影響植物對(duì)微量元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，主要是影響微量元素在體內(nèi)的含量和濃度。張菊平等[19]對(duì)小白菜的研究中發(fā)現(xiàn)在5 μmol·L-1Cd脅迫時(shí)，地上部Mn、Zn、Cu及根部Fe、Zn含量受到抑制，且存在品種差異。Dong 等[20]則發(fā)現(xiàn) 10 μmol·L-1Cd 顯著降低了番茄幼苗根系中Fe、Mn、Cu、Zn含量，而葉片F(xiàn)e、Mn、Zn降低較少，說(shuō)明Cd嚴(yán)重影響了根部細(xì)胞膜的選擇透過(guò)性，使根系對(duì)某些微量元素的積累減少。本研究結(jié)果表明，菜心地上部對(duì)Fe、Mn、Cu、Zn以及根部對(duì)Fe、Mn的吸收在Cd脅迫下均表現(xiàn)出“低促高抑”的現(xiàn)象，說(shuō)明本試驗(yàn)中添加的1 μmol·L-1Cd濃度并未超過(guò)菜心的耐受閾值，具有促進(jìn)植株生長(zhǎng)的效果，提高了對(duì)微量元素的吸收積累，表現(xiàn)出微量元素轉(zhuǎn)移系數(shù)增大的現(xiàn)象。添加5 μmol·L-1Cd時(shí)，抑制了菜心對(duì)微量元素的吸收，可能是因?yàn)镃d抑制了根系呼吸作用，阻礙了根部物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，降低了根部對(duì)微量元素主動(dòng)吸收的能力。同時(shí)，Cd被轉(zhuǎn)移至葉片細(xì)胞時(shí)，會(huì)破壞葉綠體結(jié)構(gòu)和功能，使葉綠素分解，并對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的毒害作用，致使植物對(duì)微量元素吸收代謝紊亂[21]，向地上部轉(zhuǎn)移能力下降。

施Se對(duì)植株體內(nèi)微量元素吸收的影響，與植株種類(lèi)、施用部位以及施用濃度等有關(guān)。許多研究顯示，植物體內(nèi)Se與Mn和Zn濃度表現(xiàn)為正相關(guān)，而與Fe表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[22]。陳平等[23]的研究結(jié)果表明，Se處理可以顯著增加Cd脅迫下水稻葉片中Fe、Mn、Zn含量。劉春梅等[24]對(duì)寒地水稻的研究則得出，施Se后，葉片Zn含量下降，F(xiàn)e含量增加；根系Zn、Cu含量下降，而Fe、Mn含量增加。李登超等[25]研究也表明，施Se處理增加了白菜地上部Mn和Zn含量，卻降低了根部Fe、Mn、Zn元素的吸收。由此可見(jiàn)，Se對(duì)植物體內(nèi)微量元素作用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，不同研究結(jié)果表現(xiàn)出矛盾性。本研究結(jié)果與前人結(jié)果也有不同之處：低Cd脅迫施Se促進(jìn)了Fe和Cu由根部向地上部的轉(zhuǎn)移；Cd對(duì)菜心產(chǎn)生毒害作用后，施Se對(duì)提高地上部Fe、Cu、Zn和降低根系Fe含量具有一定效果，但對(duì)根部Mn、Cu、Zn含量影響不大。可能是因?yàn)榧覵e后與Cd形成難溶性復(fù)合物，降低了活性氧自由基的生成及根尖細(xì)胞凋亡比例，緩解了對(duì)細(xì)胞膜的損傷，提高了抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶的活性[27]；同時(shí)Se增加了菜心中葉綠素含量，使葉綠體代謝運(yùn)輸及能量代謝得到保障[16]，恢復(fù)了植物的正常生長(zhǎng)，進(jìn)而增強(qiáng)地上部對(duì)微量元素的運(yùn)輸積累。

3.3 Se對(duì)Cd脅迫下菜心微量元素在根系及木質(zhì)部中轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

根系吸收微量元素經(jīng)共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑運(yùn)輸?shù)侥举|(zhì)部，后經(jīng)木質(zhì)部到達(dá)地上部莖葉，其轉(zhuǎn)移率取決于多個(gè)因素。根系共質(zhì)體途徑是指元素從植物根毛細(xì)胞膜通道進(jìn)入，利用細(xì)胞間的胞間連絲從一個(gè)細(xì)胞質(zhì)移動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞質(zhì)，經(jīng)皮層、內(nèi)皮層等進(jìn)入根系內(nèi)導(dǎo)管，移動(dòng)速度慢；質(zhì)外體途徑則是根系周?chē)脑亟?jīng)根系吸收后，沿著細(xì)胞壁中的空隙進(jìn)入木質(zhì)部和韌皮部，這種方式阻力小、速率快。根系細(xì)胞壁其特殊的滯留作用也是影響元素吸收運(yùn)輸?shù)闹匾獧C(jī)制[18，26]。一方面，土壤溶液中多數(shù)以離子態(tài)形式存在的微量元素先被吸附于根組織表面，然后經(jīng)質(zhì)外體途徑或共質(zhì)體途徑進(jìn)入根組織維管束的木質(zhì)部導(dǎo)管向上運(yùn)輸[28]，而根系細(xì)胞壁和液泡的吸收、固定作用以及共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑中運(yùn)輸效率影響著根系對(duì)微量元素的積累。已有研究表明，Cd在經(jīng)根系吸收時(shí)，會(huì)在表皮細(xì)胞沉積，毒害植物根系[18]，影響微量元素在根部的運(yùn)輸。本研究結(jié)果顯示，隨著Cd脅迫加強(qiáng)，質(zhì)外體和共質(zhì)體中Fe、Mn、Zn含量及分配比例降低，卻使Cu含量及分配比例上升。說(shuō)明Cd脅迫破壞了根系之間微量元素的平衡，使某些微量元素由經(jīng)細(xì)胞壁進(jìn)入質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑受阻，有學(xué)者認(rèn)為Cd進(jìn)入細(xì)胞的途徑和 Ca2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+等營(yíng)養(yǎng)元素相似，共享在細(xì)胞膜上的離子通道/運(yùn)輸?shù)鞍?，如K+和Ca2+通道[29]，易與其他金屬元素競(jìng)爭(zhēng)相同的載體結(jié)合位點(diǎn)；而Cu含量上升可能是因?yàn)镃d改變了細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致大量Cu進(jìn)入共質(zhì)體造成的[30]。另外，施Se處理后，普遍提高了Fe、Mn、Cu在兩種途徑中的分配比例，增強(qiáng)了菜心微量元素在根系中質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑的運(yùn)輸。研究表明，Se可以和重金屬Cd形成Se-Cd復(fù)合物，從而減少了植株對(duì)Cd的吸收，降低其生理生化毒性[10]。因此，Se緩解了Cd和其他離子的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，進(jìn)而促進(jìn)了微量元素進(jìn)入根細(xì)胞，提高了其在共質(zhì)體中分配比例。另外施Se也可以提高植物 GSH-Px、SOD、CAT、GR 等活性[16，27，31]，通過(guò)提高谷胱甘肽循環(huán)途徑來(lái)減輕或消除根系細(xì)胞膜因Cd引起的損傷，在限制對(duì)Cd吸收以及保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性等方面具有重要作用[32]，從而使根系微量元素含量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。以上結(jié)果說(shuō)明，微量元素在質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑含量和分配比例的改變是Se影響根系對(duì)其吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的一個(gè)重要機(jī)制。

另一方面，根系吸收的微量元素通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)竭_(dá)地上部莖葉，木質(zhì)部裝載、運(yùn)輸和卸載是影響微量元素向地上部轉(zhuǎn)移的重要因素，金屬離子或其化合物從根細(xì)胞裝載進(jìn)入木質(zhì)部和卸載要經(jīng)跨膜運(yùn)輸，這就需要通過(guò)相應(yīng)載體來(lái)完成這個(gè)過(guò)程[33]。本研究結(jié)果顯示，低Cd脅迫下，除Mn外，其他微量元素變化不明顯，但高Cd脅迫使木質(zhì)部中微量元素濃度普遍降低。可能原因是Cd脅迫達(dá)到一定程度后，影響了木質(zhì)部中相關(guān)氨基酸或載體的表達(dá)，減弱了木質(zhì)部裝載、運(yùn)輸能力，進(jìn)而抑制了微量元素在木質(zhì)部的運(yùn)輸；而施Se選擇性地提高了木質(zhì)部中載體含量，進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)某些微量元素的運(yùn)輸。已有研究表明，Cd處理顯著改變木質(zhì)液中有機(jī)酸、氨基酸的組成和含量[34]，而不同有機(jī)酸種類(lèi)對(duì)調(diào)控植物微量元素運(yùn)輸機(jī)制存在較大差異，如檸檬酸運(yùn)輸載體可以促進(jìn)Fe從根系向地上部運(yùn)輸[35]，尼克酰胺對(duì)番茄木質(zhì)部中轉(zhuǎn)運(yùn)Cu過(guò)程有重要作用[36]，植物Fe載體和DMA影響木質(zhì)部中Fe和Zn的運(yùn)輸[37]。本研究顯示，施Se后，木質(zhì)液中Fe、Cu、Zn濃度有增加趨勢(shì)，但是對(duì)Mn的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)不顯著。由此推斷，Cd脅迫下施Se處理可能加強(qiáng)了木質(zhì)液中相關(guān)氨基酸和有機(jī)酸的表達(dá)，如檸檬酸、Fe載體等，從而影響元素在木質(zhì)部中的轉(zhuǎn)運(yùn)，但是這一過(guò)程受Cd脅迫強(qiáng)度、施Se濃度和元素種類(lèi)的影響。但是，有關(guān)Se在緩解Cd脅迫中與其他元素的相互作用的研究報(bào)告很少，另外Se對(duì)木質(zhì)部中載體種類(lèi)和含量的影響也有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）低濃度Cd對(duì)菜心具有刺激效果，對(duì)微量元素在根系吸收、木質(zhì)部運(yùn)輸以及地上部含量積累等方面均有一定的促進(jìn)作用，可提高菜心生物量。但隨著Cd脅迫加強(qiáng)，根部對(duì)微量元素吸收紊亂，木質(zhì)部濃度普遍降低，進(jìn)而表現(xiàn)出地上部含量下降，生物量減少。

（2）施Se可以緩解Cd脅迫對(duì)菜心造成的毒害作用，低Cd脅迫施Se促進(jìn)了Fe和Cu由根部向地上部的轉(zhuǎn)移；而在 5 μmol·L-1Cd脅迫時(shí)，施 Se則對(duì)提高地上部Fe、Cu和Zn含量，降低根系Fe含量具有一定效果。

（3）高Cd脅迫下施Se處理，增加了質(zhì)外體中Fe、Cu、Zn 以及共質(zhì)體中 Fe、Mn、Cu、Zn 含量；有利于提高質(zhì)外體和共質(zhì)體中Fe、Mn、Cu的分配比例。

（4）施Se對(duì)低Cd脅迫下木質(zhì)液中微量元素濃度的增加作用不明顯；而高Cd脅迫下施Se后木質(zhì)液中Fe、Cu、Zn的濃度有上升趨勢(shì)，維持了地上部微量元素供應(yīng)的平衡。

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