磷对节节草铜富集性和转运能力的影响

彭珊珊， 俞 茜， 罗 芳， 李 影

(安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000)

重金属进入土壤系统中，导致生态环境恶化、土壤质量退化，并通过食物链最终进入人体，对人类的健康造成严重的威胁。因此，土壤系统中重金属污染和治理一直是国际上的难点和热点之一[1-2]。利用超富集(积累)植物提取修复技术已引起普遍关注。但目前，推广和应用植物提取修复技术的主要障碍是超富集(积累)植物生长缓慢，生物量小以及修复效率低等。通过运用农学、工程学、植物营养学、物理、化学、生物学等强化措施提高超富集(积累)植物的生物产量和积累重金属的能力，以达到提高其修复效率，是植物修复技术应用的重要的发展方向[3-5]。现阶段提高植物对重金属富集效率的途径和强化措施主要包括施肥、添加剂的施用、基因技术改良以及其它农艺措施等，其中，施肥是提高农作物产量和品质的传统农艺措施，已成为植物修复过程中的必要手段而备受关注[3,6-8]。磷是植物必需营养元素，磷酸盐有效促进植物生长，提高植物磷营养状态；磷在植物的生理代谢过程中起着非常重要的作用，尤其在有机物的代谢和运输方面具有非常重要的调控作用；磷与离子元素的交互作用以及植物根系对元素的吸收、转运、分布、积累等方面也密切相关[7,9]。有研究表明[7,9,10-12]，磷肥的施加不同程度影响了土壤中重金属离子的有效性，进而影响植物对重金属的吸收和积累能力。陈同斌等[4]研究发现水培条件下磷对蜈蚣草砷吸收能力具有一定的促进作用。迄今为止，有关磷和重金属离子在植物体内的交互作用机制还不是很清楚，虽然施肥可促进植物生长，提高植物生物量，但与此同时，由于“相对稀释”效应的影响，植物体内重金属含量也许会下降，从而导致地上部累积的重金属未必一定增加，因此施肥是否能提高植物修复效率仍是一个有待研究的问题。加强磷对超富集(积累)植物重金属吸收和转运作用的研究在提高超积累植物吸收和积累重金属的能力具有重要的理论指导意义和实践意义。

节节草(Hippochaeteramosissimum)隶属于木贼科木贼属，是多年生草本植物，叶片退化，分布广泛，适应性强。李影等[13-15]研究表明节节草可通过根部截留和细胞壁沉积，以及使体内的Cu2+形成难溶性、活性低的化合物来降低过量的Cu对其的毒害。节节草对Cu具有较强的耐性和较高的积累能力，但是节节草对铜的富集特性主要表现为根部积累，地上部分积累量相对较低，使得实际修复效率较低。研究磷对节节草铜吸收和转运的影响有助于节节草实际修复应用的开展和研究。因此本文通过水培实验，研究了铜胁迫下，不同浓度的磷对节节草铜的吸收和转运情况的影响，探究磷与节节草铜富集特性的关系，以期为节节草修复效率的提高和实际应用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

于安徽铜陵狮子山铜尾矿库随机采集节节草幼苗。将采集的植物幼苗根部土壤清洗干净，于正常土壤中预培养数周，待新苗长出后，取长势一致的节节草幼苗，供温室水培实验。

1.2 实验设计

以Hoagland全营养液配制NaH2PO4和CuSO4·5H2O(分析纯)的溶液，使Cu胁迫浓度(以纯Cu2+计)为20mmol·L-1，磷浓度分别为0、0.5、2.0mmol·L-1，以不添加CuSO4·5H2O和NaH2PO4的Hoagland营养液为空白对照组(0-0/Cu-P)，共计六个处理，分别标记为CK(0-0)，T1(0-0.5)、T2(0-2.0)、T3(20-0)、T4(20-0.5)、T5(20-2.0)。各处理组均设3个重复。取预培养长势一致(株高约10cm)的幼苗进行处理培养，每盆种植5株，温室中连续培养20d，四天进行一次处理液更换。培养结束时，样品收集，先后用自来水和蒸馏水反复冲洗，ETNA-Na浸泡清洗根部，再用去离子水仔细清洗干净，吸干表面水分，待测。

1.3 分析测定

1.3.1 节节草生物量的测定 采用直接截取法，将节节草分成地上茎、地下茎和根三部分，烘干至恒重，分别称取其干重。

1.3.2 节节草体内磷含量的测定 分别称取植物不同组织的样品，通过H2SO4-H2O2分解提取植物体内的磷，采用钼锑抗比色法测定[16]。

1.3.3 节节草不同组织器官铜含量的测定 将节节草分成地上茎、地下茎和根，地下茎及根需用1mmol·L-1的EDTA-Na浸泡15min，108℃烘箱中杀青1h后，80℃下烘干6-8h至恒重，磨碎。分别称取各样1g，加入混酸5mL(浓HNO3:HClO4=5:1)，于低温消化至灰白色，定容25mL，过滤，取滤液待测。采用原子吸收分光光度计测定Cu含量[17]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel2010软件和SPSS16.0统计分析软件进行图表制作、数据的分析和差异显著性检验。采用单因素方差分析和多重比较法(LSD)分别分析磷、铜单一和复合污染下的节节草的生长、铜含量等指标在不同

浓度组间的差异性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对节节草各组织部位生物量的影响

由表1分析可知，不同处理组间，节节草各组织器官的干重均表现出明显的差异性(p<0.05)。当未施加磷时，20mmol·L-1的铜胁迫下，节节草地上部分、地下茎和根的干重均明显低于其对照组(0-0)，表现出明显的铜毒害作用。在铜胁迫和非铜胁迫下，相对于对照组(0-0)，磷的施加均不同程度地促进了节节草地上部分、地下茎和根部干重的增加，尤其是低浓度(P≤0.5mmol·L-1)的施磷时(T1、T4处理)，其促进作用较为突出(p<0.05)。

表1 不同水平处理对节节草各组织部位生物量的影响(mg·株-1(干重))

*:不同字母表示同一处理组不同浓度间存在显著性差异

2.2 不同处理水平对节节草各组织器官铜含量的影响

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下茎Underground stem，R：根Root图1 不同处理水平下节节草各组织器官铜含量(mg·kg-1)Fig.1 The Cu concentrations in different organs ofH.ramosissimum under applications(mg·kg-1)

由图1分析可得，相对于对照组，在不同浓度的磷、铜处理下，节节草地上部分、地下茎和根部铜含量均呈现明显的差异性。在铜胁迫和非铜胁迫下(T1、T2、T4、T5处理组)，磷的施加不同程度地促进了节节草对铜的吸收和积累，其中当磷浓度低于0.5mmol·L-1(T1、T4)时，地上部和根部铜含量分别是对照组的3.38、1.49倍和1.57、1.19倍，表现出显著的促进积累作用，而此时(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地下茎铜含量明显下降，仅为其对照的50%左右。当磷的浓度高于2.0mmol·L-1(T2、T5)时，地上部和地下茎铜含量保持稳定增长，根部铜含量有下降趋势。说明低浓度的磷(≤0.5mmol·L-1)可显著提高节节草对铜的吸收和向地上部转运的能力，而高浓度的磷(≥2.0mmol·L-1)对节节草向地上转运铜的能力促进作用不明显。

由图2分析可知，各处理组节节草对铜的富集主要以地下茎积累为主，S/R明显小于1，说明磷的施加并未改变节节草以地下部为主要铜积累的特性。但当施磷水平较低时(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地上部铜积累能力显著增强，S/R分别是其对照的5.16倍和2.69倍，但地下茎铜积累量明显下降，显示出部分铜离子可能向地上转运的潜力；而当磷浓度达到2.0mmol·L-1时，节节草将铜离子向地上转运的潜能明显下降。

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下茎Underground stem，R：根Root图2 不同处理水平下节节草各组织器官铜含量的百分比Fig.2 Percentage of copper content in different organs ofH.ramosissimum under the applications

2.3 不同处理下节节草体内磷、铜含量的相关性分析

由表2可见：无磷和高磷处理下节节草地上部分磷、铜含量之间无显著相关性；低浓度磷(≤0.5mmol·L-1)处理时，节节草地上茎磷、铜含量之间呈显著的正相关；无磷和低磷处理时，节节草地下部分磷、铜含量之间均呈现显著或极显著的相关性；高浓度磷(≥2.0mmol·L-1)处理下节节草地下部分磷、铜含量之间无明显相关。

3 讨 论

重金属在植株内的运输影响着植物对重金属的吸收与耐性，以及重金属在植物体内的分布和金属离子与植物体内物质的结合形态等[18,19]。磷肥是提高土壤肥

力和增加农作物产量的常规农艺措施之一，施磷肥会对普通作物和超富集植物吸收重金属产生不同的影响[4,20-22]。有研究表明磷和重金属离子之间存在着复杂的相互关系，磷能降低重金属离子的毒性，并增强植物在过量重金属胁迫条件下的长势，相反地，土壤中高浓度的重金属会明显减弱植物对磷的吸取[23,24]。本研究发现，适量提高磷的浓度(≤0.5mmol·L-1)一定程度上能促进节节草的生长，提高其铜含量，增大铜的累积量，也有利于地下茎的铜向地上部转运，但当磷浓度过高时(≥2.0mmol·L-1)，

表2 不同处理下节节草体内磷和铜含量的相关性分析

注：*表示显著性；**表示极显著性。Note:*indicates significant level atP<0.05;**indicates very significant level atP<0.01

节节草铜积累能力和转运能力呈显著下降趋势。这可能是因为磷是植物体内许多重要化合物(如核酸、核蛋白、磷脂等)的组成元素，参与植物体内碳水化合物、氮和脂肪代谢，还能提高作物对干旱、寒冷和病虫害等不良环境的抗逆性[18,22]。但是当植物体内含磷量过高时，导致植物体内N/P和K/P比例失调，对植物的生长和品质产生不良的影响[18]。金属离子进入根细胞后，大部分是随着蒸腾流向地上部迁移的，而节节草叶片退化，地上部的蒸腾拉力相对较小，这就可能造成铜离子随蒸腾流向地上部运输的能力较低。节节草将金属离子向上转运的方式更多可能是以主动转运为主，这就使得转运过程中需要大量的能量(ATP)。磷是ATP代谢合成的关键性物质，调控着植物体内能量的转化和许多重要代谢，不同形态的磷酸盐与金属离子的活性密切相关，一定水平的磷有效地活化了植物体内惰态的铜，但是磷浓度过量会导致植物的营养失衡，进而影响植物体一系列的生理代谢，可能造成金属离子转运受阻。在本实验节节草体内磷、铜含量之间的相关性分析中，低浓度磷(≤0.5mmol·L-1)与植物铜积累和转运能力间有明显的正相关性，说明适量均衡的施肥可有效促进节节草对铜离子的吸收和向地上部的转运。但是过量施磷(≥2.0mmol·L-1)会导致植物营养失衡，植物生物量下降，以及铜含量和转运能力呈现降低的趋势。此外，与前人的研究结果相比，水培和土培的实验结果存在明显差异性。土培实验表明，随着施磷浓度的增加土壤中金属离子的有效性明显下降，从而降低植物对重金属的吸收；而水培实验中呈现为低浓度磷促进植物对金属离子的吸收，高浓度磷抑制植物对金属离子的吸收和转运。可见磷、铜的互作效应是相当复杂的，涉及铜的积累、转运、及植物生长等多种过程，由于基因型和环境因素的差异都有可能改变磷、铜交互作用的效果，因此供磷的结果可能导致铜含量的增加、减少或不变，其机制还有待进一步深入研究。

综合本研究结果发现，适当增施磷可显著促进节节草的生长，提高其干物质产量，同时促进了节节草对Cu2+的吸收和Cu2+向地上部分的转运和积累。但过度施磷将造成植物营养失衡，导致生理紊乱，不利于植物的生长以及铜的吸收和转运。从植物修复角度考虑，借助农艺施肥措施增加重金属污染土壤中有效磷的含量对提高超积累植物吸收、积累重金属的能力还是具有一定的促进作用，但是不同磷肥、不同物种以及不同生长环境与磷肥施加量有着密切联系。