鋁脅迫對海蓮幼苗中某些金屬元素累積的影響

馬 麗,楊盛昌

(1.廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門 361005; 2.河北承德石油高等專科學(xué)校,河北 承德 067000)

Al占地殼組成的8%,在自然界中一般以氧化物和硅酸鹽(如石英、云母等)的形式存在,是地殼中含量最豐富的金屬元素。與其在地殼中的豐富含量對比,海洋中Al的含量在1pg/L 以下,這可能是與硅藻屬植物對Al的富集作用有關(guān); 海水中Al多以Al3+形式存在,自由的Al3+以羥化物的形式沉淀,除了在活火山口和礬礦地帶,自然水源中Al的富集并不顯著[1]。

Al以自然的固態(tài)形式存在時(shí),不會(huì)對植被和環(huán)境產(chǎn)生毒害和污染。酸雨是金屬離子釋放的主要途徑,隨著世界范圍內(nèi)酸雨的影響,鋁、汞、鉛等金屬離子從礦床流失進(jìn)入淡水,以無機(jī)離子態(tài)存在的 Al在土壤中大量滲出,導(dǎo)致土壤富 Al化,成為酸性土壤植物生產(chǎn)力的主要限制因素,直接導(dǎo)致了農(nóng)作物減產(chǎn)和森林面積退化[1～3]。通過長期的血液透析等研究手段發(fā)現(xiàn),Al對動(dòng)物和人的健康也產(chǎn)生嚴(yán)重毒害作用,如抵抗維生素 D的骨軟化、小紅細(xì)胞貧血、帕金森癥等疾病[1]。因此,Al鹽毒害以及植物的耐Al機(jī)制成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。

紅樹林是分布在熱帶亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落。紅樹植物具有耐鹽和抗水淹等生理生態(tài)學(xué)特性[4,5],對汞、鎘、鉛等重金屬元素有較強(qiáng)的富集作用和耐受特性[6,7],在治理環(huán)境污染上有一定應(yīng)用前景。國內(nèi)外學(xué)者對紅樹林開展了大量的研究,但有關(guān)Al脅迫對紅樹植物影響的報(bào)道較少。作者以中國常見的紅樹林樹種之一海蓮(Brugiera sexangula)為材料,研究了Al脅迫對海蓮幼苗中Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等金屬離子的吸收累積和離子間相互作用的影響,并對可能的緩解Al毒害的離子機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)及Al處理

海蓮成熟胚軸采于海南省文昌市清瀾港紅樹林自然保護(hù)區(qū),平均長度8.23 cm±1.04 cm、平均質(zhì)量12.2 g±0.68 g。將海蓮胚軸于廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行砂培。沙礫粒徑2～4 mm,經(jīng)自來水反復(fù)沖洗后裝入塑料網(wǎng)盆中,每盆質(zhì)量約2.5 kg,隨機(jī)分組,每盆種植海蓮胚軸 5～6棵。培養(yǎng)液采用Hoagland’s液體培養(yǎng)基,并混合3‰NaCl以保證海蓮生長的生理需鹽,每隔 5d更換一次培養(yǎng)基,每天補(bǔ)充因蒸發(fā)損失的水分。

1個(gè)月后采用氯化鋁溶液進(jìn)行鋁脅迫處理,鋁(Al3+)濃度分別為10、25、50 mmol/L,以未添加鋁鹽的培養(yǎng)基作為對照。每一處理重復(fù)4次,隨培養(yǎng)基更換分批次添加氯化鋁,培養(yǎng)期為2個(gè)月。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 儀器和試劑

主要儀器為微波消解系統(tǒng)(MARS5)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析系統(tǒng)(ICP-MS 美國 PE公司)。

元素標(biāo)準(zhǔn)樣、硝酸、雙氧水等藥品試劑均為優(yōu)級純,超純水配置相關(guān)溶液。

1.2.2 樣品的預(yù)處理

收獲海蓮幼苗,并按照葉、莖(含胚軸)、根分組,85℃過夜烘干,然后研磨成干粉樣。準(zhǔn)確稱取海蓮各組分干粉樣品 0.100 g,裝入已經(jīng)用硝酸清洗過的消化罐內(nèi)杯底部,加入4 mL HNO3,使酸完全浸沒樣品,再加入1 mL H2O2,蓋上密封蓋,擰緊外殼壓蓋后放入微波爐中進(jìn)行消解[8]。消解結(jié)束時(shí)降溫到 30℃左右,從微波爐中取出消化罐,將溶液轉(zhuǎn)移至 100 mL容量瓶中,用超純水定容,搖勻備用(置于 4℃冰箱中)。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及樣品測定

配置所測金屬元素標(biāo)準(zhǔn)溶液并用超純水稀釋成不同濃度,以超純水為空白,測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。測定不同濃度Al處理后的海蓮各組分樣品Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn 的含量,每個(gè)樣品重復(fù)3次以上。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所用軟件為SPSS11.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al在海蓮幼苗各器官中的積累

如圖1所示,鋁鹽處理下,海蓮葉片、莖、根部對Al的積累量均呈現(xiàn)增加趨勢,以根部對Al的積累量增加最為顯著,增幅為 329.63%～521.43%。因此,在Al脅迫下,海蓮根部是積累Al的最重要部位。根對 Al的大量富集,使植株在一定濃度范圍內(nèi)的 Al脅迫下,減少了 Al向地上部的運(yùn)輸,從而緩解對葉片的傷害。

海蓮幼苗各器官對Al的富集系數(shù)見表1。從各個(gè)器官來看,同一器官對Al的富集系數(shù)均隨著培養(yǎng)液中鋁鹽濃度的提高而呈下降趨勢。在同一鋁鹽濃度下,根部的富集系數(shù)最大,莖部最小,其中,在10 mmol/LAl處理下,根對Al的富集系數(shù)是同質(zhì)量濃度下莖的4.2倍,葉的2.9倍。

圖1 Al在海蓮幼苗各器官的積累Fig.1 Accumulations of Al in Brugiera sexangula seedlings

表1 海蓮幼苗對Al的富集系數(shù)Tab.1 Al3+ enrichment coefficients of Brugiera sexangula seedlings

2.2 Al對海蓮中Na、K、Mg、Ca積累的影響

如圖2所示,Al處理下,Na在海蓮根部的積累量較對照有顯著增加,而在葉片和莖中的含量變化不顯著。

K在海蓮各器官中的積累量變化不一致。與對照組相比,在10 mmol/L Al處理下根對K的積累有顯著增加,而更高濃度處理時(shí),K在根中的積累量變化不顯著。當(dāng)Al濃度增至50 mmol/L時(shí),莖中K的積累量顯著增加,而25 mmol/L和50 mmol/L處理時(shí),葉片中K的含量較對照下降。

Mg在海蓮各器官中的積累量變化也不一致,在10 mmol/L和25 mmol/L Al處理下,Mg在根中的積累較對照有所下降,在這兩個(gè)濃度處理下,莖和葉對Mg的積累較對照無顯著變化; 在50 mmol/L Al處理下,Mg在莖中的積累反而較對照有顯著增加。

Ca在海蓮各器官的積累情況為：在 25 mmol/L和50 mmol/L處理時(shí),海蓮葉片對Ca的積累顯著下降,但在根部的積累明顯增加,莖中變化不大。

表2結(jié)果顯示,10 mmol/L Al處理下,根部的Na/K降低,可能是Al刺激了海蓮根系對K的選擇性吸收所致。但在25 mmol/L和50 mmol/L兩個(gè)濃度下,根部的Na/K顯著增加,這可能與海蓮對Na的吸收增強(qiáng)有關(guān)。

隨著Al鹽濃度增加,Al/Ca較對照組顯著提高。因此,在高Al濃度下,Ca對Al的緩解作用明顯下降。

表2 海蓮幼苗各器官中Na/K、Al/CaTab.2 Na/K and Al/Ca in Brugiera sexangula seedlings

圖2 Al對海蓮幼苗各器官中Na、Mg、K、Ca的積累的影響Fig.2 Accumulations of Na,Mg,K,Ca in Brugiera sexangula seedlings

2.3 Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn四種微量元素積累的影響

Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn四種微量元素積累的影響見圖3。Al處理下,Mn在海蓮植株各部位的積累量較對照減少。結(jié)果說明,Al抑制了根對Mn的吸收積累,相應(yīng)減少了海蓮地上部位對Mn的積累。

Fe在海蓮葉片、莖中的積累隨Al濃度的增加出現(xiàn)減少趨勢。表明Al抑制了 Fe在海蓮幼苗地上部位的積累。根系僅在50 mmol/L Al處理下對Fe的積累受到顯著抑制,較對照減少了70.1%。

海蓮根部對 Cu的積累量較對照顯著減少; 50 mmol/L Al處理下,莖對Cu的積累則顯著增加; 在葉中 Cu的積累則沒有一定的規(guī)律性,這可能與海蓮對重金屬的富集部位的特異性有關(guān)。

Al處理下,Zn在海蓮莖中的積累較對照有顯著增加,葉片和根中對Zn的積累則缺乏規(guī)律性。

3 討論

Al脅迫下海蓮幼苗各器官中金屬元素的積累結(jié)果表明,Al在海蓮幼苗各器官的含量均隨著Al處理液濃度的提高而增加; 尤其在根中的增加最為顯著。從 Al在植株的分配來看,兩個(gè)月的脅迫處理期中,大量的Al在海蓮根部沉積; 隨Al濃度的增加,根對Al的分配比例增加,可能因?yàn)楹Ｉ徃繉l的固定作用,吸收后還沒有運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)部位,相應(yīng)地降低了莖和葉中Al的相對含量。根對Al的富集,減輕了Al對莖、葉生長的毒害,也是植物對Al脅迫的一種適應(yīng)機(jī)制。

圖3 Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn的積累的影響Fig.3 Accumulations of Mn,Fe,Cu,Zn in Brugiera sexangula seedlings

Al脅迫下,海蓮根部對Na、K離子吸收有所增加; 雖然根對Mg的吸收有所下降,但Mg向地上部位的運(yùn)輸并未受到抑制,這與李海生等[9]在研究 Al對茶苗的影響中的報(bào)道一致,這說明Al對鈉、鉀、鎂的吸收和運(yùn)輸?shù)呢?fù)作用不大。

海蓮植株 Ca/Al比下降,鈣的積累在葉片相對減少,這可能是 Al3+阻塞了 Ca2+離子通道所致; 海蓮根中Ca的含量在25 mmol/L和50 mmol/L濃度下,較對照有所增加,可能是根加大了對 Ca的主動(dòng)吸收以暫時(shí)緩解Al毒害。

Mg是植物光合作用和呼吸作用中各種磷酸變位酶和磷酸激酶的活化因子,在 DNA和 RNA的合成過程中也發(fā)揮重要的活化作用。Al的原初毒害是根原生質(zhì)膜 Ca2+通道受阻,導(dǎo)致根尖細(xì)胞 Ca2+凈吸收下降,原生質(zhì) Ca2+缺乏,Ca2+平衡破壞,進(jìn)而影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致 Mg2+在根系陽離子交換量的飽和度下降,Mg2+的吸收下降,可能是 Al3+競爭了Mg2+在根質(zhì)外體上的結(jié)合位點(diǎn)[10]。

Ca是植物必須營養(yǎng)元素,對維持細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,調(diào)控植物體內(nèi)酶和陰陽離子平衡具有重要作用。而且作為植物細(xì)胞中的第二信使,Ca2+感受、傳遞和響應(yīng)環(huán)境信號的變化,可能直接調(diào)控部分抗氧化酶活力[11]。Al毒害干擾了Ca2+的吸收與平衡,導(dǎo)致了膜脂過氧化,降低了 H+泵活性,抑制了 Ca2+-ATP的活性。已有的研究表明,鈣能減輕酸雨[12]、鹽脅迫[13]和Al毒[14]等多種脅迫對植物的毒害作用。

Al處理下,Mn、Fe、Cu、Zn在海蓮某些器官中的積累有不同程度的減少,但是由于植物對這些微量元素的需求量小,因此受 Al毒的影響很小,表明海蓮根系對Al毒脅迫有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

Fe是植物生長必需的營養(yǎng)元素,在維持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)合成、葉綠體發(fā)育、酶活性等生理功能方面發(fā)揮重要作用。照光葉綠體中,捕光色素的光氧化反應(yīng)能產(chǎn)生大量氧自由基,如果缺乏清除機(jī)制,會(huì)破壞蛋白質(zhì)和核酸; SOD作為一種保護(hù)酶,起重要的清除氧自由基的作用。鐵也是細(xì)胞色素蛋白,鐵氧還蛋白,鐵硫基蛋白中不可缺少的元素,缺鐵將導(dǎo)致光合作用系統(tǒng)Ⅱ的反應(yīng)中心蛋白質(zhì)含量顯著下降[15]。

Mn作為 SOD酶的結(jié)合因子也會(huì)干擾酶活性的變化; 在糖酵解和三羧酸循環(huán)中作為酶活化劑可以提高呼吸速率,還是硝酸還原酶的活化劑。

研究結(jié)果表明,Al抑制了海蓮對鐵和錳的吸收和運(yùn)輸,可能導(dǎo)致SOD、CAT活性及某些功能蛋白等一系列生理生化指標(biāo)受到不同程度的影響。

Cu和 Zn是植物生長所需的微量營養(yǎng)元素,是多種氧化酶活性的核心,參與電子的接受與傳遞,在植物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)中起重要作用,與葉綠素的形成以及碳水化合物、蛋白質(zhì)的合成有密切關(guān)系,還能提高植物的呼吸強(qiáng)度[16]。

過量的Cu和Zn也是環(huán)境污染元素,在不同濃度Al處理下,隨著基質(zhì)中金屬元素含量的變化,海蓮根系對Cu、Zn的富集力也呈不同的變化趨勢,說明同一植物在同一基質(zhì)中對不同金屬元素的滯留能力不同。余國泰等[17]發(fā)現(xiàn)Al毒害對小麥吸收Zn的影響不大,陳文榮等[10]研究Al對蕎麥吸收運(yùn)輸營養(yǎng)元素時(shí),也發(fā)現(xiàn)Al對Cu、Zn等微量元素的影響很小 ;本研究中,Al抑制海蓮根部對Cu的吸收,而根對Zn的吸收受Al的影響變化不規(guī)律的相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)行更深入的探討。

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