Pb对圆叶无心菜根系分泌物及生长的影响

祖艳群，周 景，闵 焕

（云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201）

随着化工、电镀、印染工业的发展，重金属的使用越来越广泛，土壤重金属污染日益严重，污染程度加剧，面积逐年扩大，其中Pb不是植物的必需元素，迄今为止没有发现任何对植物有益的生理功能。重金属在土壤中积累给各种农作物生长带来严重的危害，在主要的重金属污染物中，作为 “五毒” (Hg、Cd、Pb、 Cr和 As) 之一的 Pb 污染比较突出[1，2]。 Pb 可经饮水、食物进入消化道被人体吸收，也可通过呼吸道吸入肺部，还可通过皮肤接触侵入体内。Pb进入植物体内后，不仅严重影响作物的生长发育、品质及产量，还可通过食物链富集放大，危及人类健康[3]。

植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术，能在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物活性的情况下，通过植物的根系直接将大量的重金属元素吸收，收获植物地上部分来修复被污染的土壤[4，5]。国内外有关植物修复的研究报道和概述很多，但对植物根系分泌物在植物修复中所起的作用及其机理少有述评，植物吸收的金属离子必须以溶液形式存在，植物之所以能够吸收、富集重金属，是由于其根部细胞与土壤中重金属有较多的结合位点，即重金属存在于细胞壁和液泡中，可以降低其毒性[6]。由于根系生长在地下，研究起来较为困难。而根系直接与土壤接触，是植物与土壤环境接触的重要界面，对土壤环境更为敏感，更易对土壤环境作出反应，土壤中Pb对植物的危害首先会表现在根系的变化上。在深入开展利用植物修复对重金属污染的治理过程及机理研究中，植物根际活动对于植物吸收环境中的重金属具有十分重要的作用。根际环境不仅是物质和能量的交换场所，也是土壤物质循环的重要作用界面。根际环境是在植物根系的吸收和分泌2个动态过程作用下形成的，在物理、化学和生物学性质方面不同于原土复杂的、动态的微型生态系统。由于根际环境特别是重金属胁迫下的根际环境与原土体存在着显著的差异，而根际环境中的pH值、Eh值、根分泌物和根际微生物将直接影响到重金属的固定和活化状态，从而影响到重金属在土壤—植物中的迁移转化行为[7，8]。土壤中的重金属先要经过活化后才能被植物吸收利用，因此根系分泌物等根际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长过程中，根系向生长介质分泌质子和大量有机物质的总称。它们是根-土界面的润滑剂，微生物的能源物质能改善根际环境，是植物适应营养胁迫的关键物质。在逆境胁迫条件下，植物根系分泌物数量一般都明显增多，它可以缓解植物在养分缺乏或金属毒害条件下的生长状态，如在Pb胁迫下，耐Pb植物可通过分泌有机酸，以缓解Pb的毒害[9]；有些植物根系分泌物中的某些酚酸类物质，浓度较高时，会对其他植物甚至自身造成毒害作用，抑制植物的生长发育，如Patterson等发现，l 000 mol/L的咖啡酸、t-肉桂酸、p-苦马酸、阿魏酸、五倍子酸和香草酸能明显抑制大豆的生长发育[10，11]。

为了探究Pb胁迫对植物根系生态效应，本文以圆叶无心菜 (Arenaria rotundifolia Bieberstein)为实验材料，采用盆栽试验方法，研究不同Pb浓度对圆叶无心菜根系分泌物（可溶性糖、游离氨基酸）及其生长的影响，以期反映Pb胁迫下根系的生理变化，初步探索圆叶无心菜累积Pb的特征和机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

圆叶无心菜栽培种采自云南省会泽县铅锌矿区。

1.2 试验设计

用Pb(CH3COO)2·3H2O对圆叶无心菜进行Pb胁迫处理，设4个Pb处理水平，分别为0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L，分别用CK、T1、T2、T3表示。每个处理设3个重复。

1.3 试验方法

1.3.1 材料培养

采用漂浮育苗的方法进行培养。首先，对试验材料消毒，即用10%H2O2溶液浸泡泡沫漂盘15 min，用10%H2O2溶液浸泡圆叶无心菜种子10 min；其次，在漂盘中填充优质漂浮育苗所用基质，播种，并把播好种的漂盘放入营养液中。期间精心照料，当植株长到2～3 cm时进行移栽，把圆叶无心菜幼苗移入处理过的漂盘，采取水培的方式供其生长，定期更换营养液，并用曝气装置为其根部提供生长所需的氧气。

1.3.2 根系分泌物的提取

每隔10 d提取1次。在不灭菌营养液培养条件下，收集和测定根分泌物。植物在营养液中经过一段时间的培养，开始收集根分泌物。将植株从营养液中取出，用清水清洗根系上附着的养分离子，再用去离子水洗根，然后将根放入盛有100 ml蒸馏水的容器中，此时，蒸馏水的体积能浸没根系，然后，连续通气培养24 h，再从收集液中取出根系放回营养液中。由于根分泌物的浓度过低，需浓缩才方便检测，本实验在恒温下将收集液浓缩至16 ml，保存在-20℃下的低温冰柜中备用。

1.3.3 测定方法

可溶性糖测定：硫酸蒽酮法； 游离氨基酸测定：茚三酮显色法；株高、根长和鲜重测定：将水培中的植株每隔10 d测量一次株高和根长，培养40 d植株收获后用去离子水洗净，用吸水纸将叶片和根系上的水吸干后置于电子天平称重，得到是植株样的鲜重。

1.4 数据统计分析

数据应用DPS统计分析软件进行分析，用LSD检验方法进行多重比较，差异显著性在P＜0.05水平。

2 结果与分析

2.1 Pb对圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量的影响

从图1可以看出，随着处理时间的增加，各处理根系分泌物中可溶性糖含量呈上升的趋势；随着处理浓度增大，根系分泌物中可溶性糖也呈上升的趋势。第10 d，T3与T2、T1、CK的可溶性糖含量有显著差异，比同期 T2、T1、CK分别高 12.7%、18.6%、42.6%，T1、T2的可溶性糖含量之间无显著差异，CK与T1、T2的可溶性糖含量有显著差异，T1、T2处理比CK的可溶性糖含量分别高29.4%、34.2%。第20 d，T2与T3的可溶性糖含量无显著差异；T3与T1、CK的可溶性糖含量有显著差异，比同期T1、CK分别高19.3%、27.8%；T2、T1与CK的可溶性糖含量无显著差异。第30 d，T3与T2、T1、CK的可溶性糖含量有显著差异，比同期T2、T1、CK分别高14.1%、22.8%、33.3%；T2与T1无显著差异，T2比同期CK高22.4%，存在显著差异。第40 d，T3与T2的可溶性糖含量无显著差异；T3与T1、CK有显著差异，比同期T1、CK的可溶性糖含量分别高38.6%、52.7%；T2与T1、CK有显著差异，比同期T1、CK的可溶性糖含量分别高39.1%、45.3%；T1、CK无显著差异。

图1 Pb胁迫对圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量的影响

2.2 Pb对圆叶无心菜根系分泌物中游离氨基酸含量的影响

从图2可以看出，随着处理时间的增加，各浓度处理下的游离氨基酸含量都呈上升的趋势；随着处理浓度的增大，在前10 d游离氨基酸含量呈先上升后下降的趋势，20 d后呈递增的趋势。第10 d，T2与T3无显著差异，T2与T1、CK游离氨基酸含量有显著差异，同期比T1、CK分别高31.2%、48.1%；T3与T1无显著差异，与CK有显著差异，T3的游离氨基酸含量比CK高40.3%；T1与CK无显著差异。第20 d，T3与T2、T1、CK的游离氨基酸含量有显著差异，比同期T2、T1、CK分别高出32.0%、61.2%、68.0%；T2与T1、CK有显著差异，比同期T1、CK分别高出43.0%、53.0%；T1与CK无显著差异。第30 d，T3与T2、T1、CK的游离氨基酸含量有显著差异，比同期T2、T1、CK分别高出25.5%、55.4%、66.2%；T2与T1、CK有显著差异，比同期T1、CK分别高出40.2%、54.7%；T1与CK无显著差异。第40 d，T3与T2、T1、CK的游离氨基酸含量有显著差异，比同期T2、T1、CK分别高出45.0%、64.6%、80.4%；T2与T1、CK有显著差异，比同期T1、CK分别高出35.6%、64.4%；T1与CK有显著差异，T1的游离氨基酸含量比CK高出44.7%。

图2 Pb对圆叶无心菜根系分泌物中游离氨基酸含量的影响

2.3 Pb处理对圆叶无心菜生长的影响

从圆叶无心菜各生长指标的测定结果可以看出，随着Pb处理浓度的增加和生长时间的延长，圆叶无心菜株高、根长和生物量均呈先升后降趋势（表1）。T3降低的幅度最大，30 d时T3的株高、根长和生物量分别比对照降低22.9%、37.9%和64.4%。

表1 Pb处理对圆叶无心菜主要生长指标的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

通过对Pb处理的圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量、游离氨基酸含量及吸收累积特征的变化进行研究，低浓度Pb处理对圆叶无心菜的生长和生理指标的负面影响较小，反而有一定的促进作用，圆叶无心菜在生长过程中对高浓度的重金属Pb表现出一定的耐性和适应性，内部产生了对重金属Pb的抗性机制。

可溶性糖是细胞中调节渗透胁迫的小分子物质，起着维持细胞膨压、酶活性、细胞膜系统稳定性和植株光合作用等重要的生理功能[12]。Parys等认为Pb胁迫会影响植物水势从而导致植物缺水。逆境条件下植物进行渗透调节的物质主要以糖类为主[13]，失水胁迫条件下可溶性糖含量的增加有利于降低细胞渗透势，增强细胞保水能力，减少由于细胞失水而造成的损伤。在渗透胁迫下，植物可通过在植物体内积累可溶性糖的方式来降低渗透势，以适应外界环境的变化。实验结果表明，重金属Pb对圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量有明显的影响，主要表现为随着Pb处理浓度的增加可溶性糖含量增加。随着处理时间延长，可溶性糖含量缓慢回升，这可能是圆叶无心菜对重金属胁迫的一种自我调节。圆叶无心菜的可溶性糖含量随着时间的变化，各处理浓度下的含量呈上升的趋势，分析认为这是由于圆叶无心菜对重金属Pb的适应，调节生理机制来适应重金属Pb的胁迫。根据相关性分析，圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量与Pb处理浓度成显著正相关。

游离氨基酸是合成蛋白质的基本单位，并参与多种重要生物大分子原料的合成。氨基酸在细胞内的代谢有多种途径，一种是经过合成形成蛋白质，一种是进行分解代谢[14]。植物体内游离氨基酸可以增加细胞液的浓度，对原生质具有保护作用[15]。圆叶无心菜的游离氨基酸含量随着处理时间和处理浓度的增加，各浓度处理下的游离氨基酸含量都呈上升的趋势。当植物遭受冷、旱等逆境时，其体内的蛋白质分解加速，游离氨基酸增多[16]。在Pb处理条件下，植物体内游离氨基酸可以增加细胞液的浓度，保护自身的原生质，所以圆叶无心菜的游离氨基酸含量增加，从而导致根系分泌物中游离氨基酸的含量增加。根据相关性分析，圆叶无心菜根系分泌物中游离氨基酸含量与Pb处理浓度成显著正相关。

重金属毒害是矿区普遍存在且最为严重的问题之一[17]，矿山废弃地土壤结构差，有机质含量及植物必需的营养元素 (尤其是氮、磷、钾)严重缺乏，再加上重金属含量较高，不利于植物生长和其他生物活动，生态环境恢复十分困难[18]。某些特殊的金属型植物 (metallophytes)由于自然选择的作用，往往能在重金属污染严重的土壤中良好生长[19]。因此，这些植物在重金属污染土地的植被重建和植物修复中起到决定性的作用[20]。重金属污染的条件下，会对圆叶无心菜的数量性状产生影响。对于重金属超累积植物而言，较大的生物量是其累积重金属能力的一个重要方面。在3个时期，Pb对圆叶无心菜数量性状有显著的影响，株高、根长和生物量均先升后降， 超累积植物能适应重金属污染的环境，能在污染的介质中正常生长[21，22]，低浓度时能促进植物生长，但随着浓度增加则对植物产生毒害作用。重金属对植物的毒害，在形态上主要表现为根、茎生长迟缓和叶片失绿、卷曲。重金属离子既可以导致植物组织、细胞失水，又可能阻碍植物体内水分的运输，从而影响植物的生长发育， 影响数量性状[23]。

3.2 结论

（1）圆叶无心菜根系分泌物中可溶性糖含量随着Pb浓度的增加和处理时间的延长呈上升的趋势。

（2）随着处理时间和处理浓度的增加，圆叶无心菜根系分泌物中游离氨基酸含量均呈上升趋势。

（3）低浓度Pb促进圆叶无心菜的生长，高浓度Pb导致圆叶无心菜的株高、根长和生物量显著降低；在同一污染条件下，株高、根长和生物量随时间延长而不断增加。

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