全 文 ：第 26卷第 6期
2006年 6月
环　境　科　学　学　报
　Acta Scientiae C ircum stantiae
Vo .l 26, No. 6
Jun. , 2006
基金项目:国家杰出青年科学基金项目(No. 40325003)
Supported by th e National Science Foundation forD istingu ished Young S cholar(No. 40325003)
作者简介:肖细元(1973— ), 博士生 , E-m ail:xiaoxy@ igsnrr. ac. cn;*通讯作者(责任作者), E-m ail:ch entb@ igsn rr. ac. cn
Biography:XIAO Xiyuan(1973— ), Ph. D. candidate, E-mai l:xiaoxy@ igsn rr. ac. cn;*Correspond ing author, E-m ail:chen tb@ igsn rr. ac. cn
肖细元 ,廖晓勇 ,陈同斌 ,等. 2006.砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系 [ J] .环境科学学报 , 26(6):954 - 961
X iao X Y, Liao X Y, Chen T B, et a l. 2006. Subce llu lar dis tribu tions of phosphorus and calcium in arsen ic hyperaccumu latorP teris vitta ta L. and its
to lerance to phytotoxicity of arsen ic[ J] . A cta Scien tiae C ircum s tan tiae, 26(6):954 - 961
[免审稿件 ]责任编辑提示:本刊欢迎广大读者针对免审稿件提出各种意见
砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与
耐砷毒的关系
肖细元 1, 2 ,廖晓勇1 ,陈同斌 1, * ,阎秀兰 1, 2 ,谢 华 1, 2 ,翟丽梅1, 2 ,武 斌 1, 2
1.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心 ,北京 100101
2.中国科学院研究生院 ,北京 100049
收稿日期:2005-12-12　　　修回日期:2006-04-04　　　录用日期:2006-04-28
摘要:为了在研究砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布 ,并探讨其与蜈蚣草耐砷毒的关系进行了试验研究.结果表明 ,蜈蚣草吸收的磷
主要分布在胞质组分中(平均占各部位总磷含量的 44%以上),吸收的钙主要分布在细胞壁组分中(平均占各部位总钙含量的 48%以上).与
低钙(0. 03和 2. 5mm ol L -1)处理相比 ,高钙(5. 0 mmo l L- 1)处理时 ,根部的胞质组分和叶柄的细胞器组分中磷含量较高.各器官的亚细胞组
分中钙含量随着介质中添加钙浓度的提高而增加.介质钙浓度过高会抑制蜈蚣草的生长.在加砷处理下 ,根部和叶柄细胞壁组分的磷含量有所
减少 ,但地上部细胞器组分的磷含量及其含磷总量占植株含磷总量的相对比例 、根部细胞壁组分的钙含量增加.蜈蚣草自主调节磷和钙的亚细
胞水平分布可能是其耐砷毒的机制之一.
关键词:砷;磷;钙;蜈蚣草;毒害;亚细胞定位
文章编号:0253-2468(2006)06-0954-08　　　中图分类号:X171. 5　　　文献标识码:A
Subcellular d istr ibutions of phosphorus and calcium in arsenic hyperaccumulator
P teris vitta ta L. and its tolerance to phytotox icity of arsenic
XIAO X iyuan
1, 2 , LIAO X iaoyong1 , CHEN Tongb in1, * , YAN X iu lan1, 2 , X IE Hua, ZHA I Lime i, WU B in
1. C enter for Environmen talRem ediation, In stitu te of Geograph ic Sciences andN atural Resources Research, Ch inese Academy of Sciences, Bei jing 100101
2. G raduate Univers ity of Ch in ese Academ y of Sciences, Bei jing 100049
R eceived 12 December 2005;　　　 received in rev ised form 4 April 2006;　　　 accepted 28 April 2006
Ab stract:Th e sub cellu lar d istribut ion s of phosphorus (P) and calcium (Ca) inP teris vittata L. , an arsen ic (A s) hyperaccum u lator, w ere exam ined to
exp lore the m echan ism s ofA s to lerance of these p lan ts grow n under sand cu lture cond itions. The resu lts indicated thatmore than 44% of P w as localized
in the cy top lasm ic supernatan t fraction s in roots, petio les and p innae, and 48% of the ab sorbed C a w as localized in the p lant cell w a lls. Ca lcium
treatm ents (5. 0 mm ol L- 1) enhanced significant ly P con tents in root cytop lasm ic sup ernatan ts and in petio le organe lle f ractions. Moreover, the C a
conten ts in eachP. vitta ta L. subce llu lar fractionw ere enhan ced w ith subsequen tC a add itions to the cu lture m ed ia. These findings indicate thatC am ay
in terfere w ith th e norm al phys iological nu trientm etabo lism ofP and C a, and w ith p lan t grow th rates. The am ount of P b ound to the organel les aboveground
increased w ith addi tion alA s treatm en ts, and the percentage of P accumu lat ion in the sh oot organelle fractions of P. vit ta ta L. w as also enhanced.
H ow ever, the P con tents in the root and petiole cel lw al l fraction s decreased to som e exten.t A dd ed A s also in creased the C a con tent roo t cell w al l
fraction s, wh ichm ay help m ain tain cellw all stab ility. Thu s, the subcellu lar dis tribu tions of P and C a acclim ated to A s stress may he lp P. vittata L.
to lerate A s phytotox icity, and m ain tain its norm al grow th rate.
Keywords:arsen ic;phosphoru s;ca lcium;P teris vi tta ta L. ;phytotoxicity;subcel lu lar localization
　　蜈蚣草 (P teris vittata L. )是一种富集砷能力强 、
生 物 量 大 、 生 长 迅 速 的 超 富 集 植 物
(hype raccumu lator) (陈同斌等 , 2002a).目前 ,对蜈
蚣草耐砷毒能力和砷富集机制等问题已开展了相
DOI牶牨牥牣牨牫牰牱牨牤j牣hjkxxb牣牪牥牥牰牣牥牰牣牥牨牬
6期 肖细元等:砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系
关研究 (陈同斌等 , 2004;李文学等 , 2004;2005).
田间试验结果证明 ,蜈蚣草在砷污染土壤修复方面
有良好的应用前景(廖晓勇等 , 2004).
钙是植物必需的中量营养元素 ,可参与并调节
细胞的生理生化反应 ,维持细胞壁的结构及细胞膜
的正常功能 ,增强植物抵御环境胁迫的能力 (K auss
et a l. , 1987).室内条件下 ,添加一定浓度的砷能明
显促进普通植物 Spartina alternifora (Carbonell
et a l. , 1998 )、 菜 豆 (Phaseolus vulgaris L. )
(Carbone llet al. , 1997)和水稻 (Marin, 1992)对钙
的吸收. Cox(1995)指出 ,欧洲油菜 (B rassica napus
L. )地上部钙含量与添加有机胂酸盐 (MSMA和
DSMA)浓度呈直线相关. 这些研究表明 ,当普通植
物受砷毒害时可通过改善钙营养达到解毒的目的.
蜈蚣草是钙质土壤的指示植物 ,加砷处理可促进其
对钙的吸收及钙由叶柄向羽叶的转运 (廖晓勇等 ,
2003),其成熟羽叶中钙含量随砷处理浓度的增加
而显著增加 (Li et al. , 2006). 但也有报道指出 ,介
质中高浓度的钙明显抑制蜈蚣草对钾 、镁 、锰等营
养元素的吸收和转运 (肖细元等 , 2003),增加根部
的磷含量并抑制植株生长 (廖晓勇等 , 2003).
土壤-植物系统中的砷 、磷关系是一个比较受关
注的问题.磷是植物必需的大量营养元素 ,是磷脂 、
核苷酸 、核酸 、核蛋白 、ATP酶等物质的重要组分 ,
在植物能量转化及物质代谢等方面有重要作用.在
化学元素周期表中 , 砷与磷同属第 ⅤA族元素;
A sO
3 -
4 在结构上与 PO3 -4 很相似 ,它可通过磷转运途
径进入细胞 ,干扰植物体内的氧化磷酸化过程而产
生毒害 (W ickes et al. , 1976). 在普通植物小麦
(A sher et a l. , 1979)及砷耐性植物绒毛草 (Holcus
lanatus L. )(M erharg et a l. , 1994)中 ,砷 、磷之间表
现为竞争作用.因此 ,目前学术界的流行观点认为 ,
在土壤和植物系统中的砷 、磷呈竞争关系 (Merharg
et a l. , 1992;H eeraman et a l. , 2001).但本研究小组
的室内和田间试验结果最新发现 ,添加适量的磷肥
可以提高蜈蚣草对砷的吸收效率 ,在蜈蚣草中磷 、
砷之间呈现协同效应 (陈同斌等 , 2002b;廖晓勇
等 , 2004). 后来 , Tu(2005)等人对蜈蚣草的研究也
进一步证实了我们所发现的现象.
现有研究已证明 ,磷和钙会影响普通植物和蜈
蚣草体内砷的行为. 本文则主要研究蜈蚣草中磷 、
钙的亚细胞分布特征及其耐砷毒的可能机制.
1　材料与方法 (M aterials and methods)
将采自湖南的蜈蚣草孢子撒在盛土的塑料盆
中育苗.长出 2片幼叶后 ,预培养 30d ,移栽到干净
的石英砂介质中 ,每盆 4株苗.移栽后放在人工气候
箱中于 26℃ /20℃下培养 ,每天光照 14h,相对湿度
85%. 以改进的 Hoag land缺钙营养液进行培养. 试
验采用 2因素 3水平的完全设计 ,添加砷浓度为:0、
0. 1、0. 2 mmo l L - 1 ,添加钙浓度为:0. 03、2. 5、5. 0
mmo l L - 1 ,共 9个处理 ,各处理重复 4次.其中砷源
为 Na2HA sO 4 7H2O ,钙源为 Ca(NO 3)2.蜈蚣草培养
3个月后收获植株.
参照 Hans (1980)及 Ratho re (1972)等人的方
法进行各亚细胞组分的分离. 取根 、叶柄和羽叶
0.5000 g鲜样 ,在玻璃匀浆器中匀浆 ,冷冻离心机
300 g下离心 30 s,下部沉淀 ,底层碎片为细胞壁组
分.上清液再在 20000 g下离心 45 m in以沉淀细胞
器.底层碎片为细胞器组分 ,上层清液为胞质组分.
所有的匀浆过程和以后的分离过程均控制在 4℃条
件下操作.详细的实验方法可参见文献(陈同斌等 ,
2005).
分离后的细胞壁 、胞质和细胞器组分分别加入
10mLHNO3和 2mL HC lO 4消煮 ,用钒钼磺法测定磷
(廖晓勇等 , 2004),原子吸收法测定钙 (廖晓勇等 ,
2003).亚细胞分离过程中磷 、钙的总回收率为 91%
～ 105%. 根 、叶柄和羽叶亚细胞各组分的元素含量
均以相应器官的干物重计. 数据处理由 SPSS 11. 0
统计软件完成.
2　结果与分析 (Resu lts and analysis)
2.1　蜈蚣草中磷的亚细胞分布
从总体趋势来看 (表 1),根部的 3个亚细胞组
分中 , 除高砷中钙 (A s、 Ca 分别为 0. 2、 2. 5
mmo l L - 1)处理外 ,其余处理均以胞质的磷含量最
高 ,达 2445 ～ 5299 mg kg -1 , 占根部总磷含量的
43% ～ 60%,平均为 51%.其次为细胞壁 ,其磷含量
为 1237 ～ 2374 mg kg- 1 ,占根部总磷含量的 22% ～
41%, 平均为 33%. 而细胞器中仅为 694 ～ 2368
mg kg- 1 ,占根部总磷含量的 11% ～ 25%.在 9个处
理中 ,高砷中钙处理中根部胞质组分的磷含量都低
于其它处理. 统计分析表明 ,添加 A s浓度为 0. 1、
0.2 mmo l L -1处理中 ,细胞器组分的磷含量分别是
对照 (不加砷)的 66%和 62%(表 2). 因此 ,加砷处
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理显著影响根部细胞器组分的磷含量. 5. 0
mmo l L -1钙处理中 ,其胞质组分的磷含量分别比
0.03、2. 5 mmo l L -1钙处理增加 72%和 109%. 细胞
器中的磷含量随钙处理浓度的增加而提高 ,特别在
5. 0 mmo l L - 1钙处理下 ,细胞器中的磷含量显著高
于 0. 03 mmo l L- 1钙处理(表 2).
表 1　蜈蚣草各器官中磷的亚细胞分布
Tab le 1　P conten ts of the variou s subcellu lar fraction s in P. vitta ta L.
处理浓度
/(mmo l L - 1)
As Ca
w P /(mg kg - 1)
根
胞质 细胞壁 细胞器
叶柄
胞质 细胞壁 细胞器
羽叶
胞质 细胞壁 细胞器
0 0. 03 2738±479 2374±353 741±593 2091±322 800±502 438±118 1443±115 766±174 354±89
0 2. 5 3083±1022 2225±1628 1266±211 1985±244 875±338 250±146 1248±343 540±167 834±145
0 5. 0 5299±3029 2337±1617 2368±168 1546±268 874±77 793±237 1034±95 969±312 569±99
0. 1 0. 03 2634±892 1959±227 694±136 1173±277 1168±167 970±119 926±219 920±213 623±239
0. 1 2. 5 2445±1182 2097±231 966±273 2206±555 397±33 298±133 1031±303 759±272 971±333
0. 1 5. 0 4385±2952 1458±306 1217±315 1414±680 551±192 1011±53 1077±537 1098±223 659±118
0. 2 0. 03 2810±2320 1237±1091 1019±265 2073±102 342±76 575±53 1113±98 656±156 755±50
0. 2 2. 5 1200±344 1783±361 831±110 1085±219 350±6 913±91 932±172 486±17 869±120
0. 2 5. 0 4416±2222 1920±501 873±101 1770±621 629±18 1247±374 1532±401 440±43 778±724
　　注:所有数值均为平均值±标准差(n=4).
　　叶柄中的磷也主要分布于胞质组分 (1085 ～
2206mg kg- 1)中 ,占叶柄总磷含量的 35% ～ 75%
(表 1).与对照相比 ,加砷处理的细胞壁组分中磷含
量显著减少:加砷 0. 2 mmo l L -1时 ,其磷含量仅为
对照处理的一半左右 (表 2).细胞器组分的磷含量
随介质中砷水平的提高而增加:0. 2 mmol L -1砷处
理的细胞器组分中磷含量比对照增加 85%.钙处理
对叶柄中各亚细胞组分的磷含量的影响不及砷处
理明显.介质中钙浓度只对细胞器组分的磷含量产
生明显影响:5. 0mmol L -1钙处理中 ,细胞器组分的
磷含量分别为 0. 03、2. 5 mmo l L -1钙处理的 1. 5和
2. 0倍.
表 2 蜈蚣草各器官中磷的亚细胞分布的统计分析结果
Tab le 2　P conten ts of the variou s subcellu lar fraction s in P. vitta ta L.
处理浓度
/(mm ol L - 1)
w p /(m g kg - 1)
根
胞质 细胞壁 细胞器
叶柄
胞质 细胞壁 细胞器
羽叶
胞质 细胞壁 细胞器
ANOVA Test
As
0 3707a 2312a 1458a 1874a 846a 494b 1242a 758ab 586a
0. 1 3155a 1838a 959a 1598a 705ab 760ab 1011a 926a 751a
0. 2 2808a 1647a 908a 1643a 441b 912a 1192a 527b 801a
C a
0. 03 2727b 1857a 818b 1779a 770a 661b 1161a 781ab 577b
2. 5 2243b 2035a 1021ab 1759a 541a 487b 1070a 595b 892a
5. 0 4700a 1905a 1486a 1577a 686a 1017a 1214a 836a 669ab
F test
As NS NS * NS * * NS * NS
C a * NS * NS NS ** NS NS NS
C a×A s NS NS * NS NS NS NS NS NS
　　NS:p≥ 0. 05;*:p<0. 05;**:p<0. 01;所有的数值均为平均值(n=12);平均值后标注不同小写字母表示各处理水平之间存在显著
差异.
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6期 肖细元等:砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系
　　从总体趋势来看 ,磷在羽叶亚细胞组分中的分
布主要是在胞质组分中 ,占羽叶总磷含量的 36% ～
58%,平均为 44%(表 1). 加砷处理对羽叶胞质组
分的磷含量无明显影响. 细胞壁组分的磷含量在
0.2 mmo l L -1砷处理下最低 , 显著低于 0. 1
mmo l L -1砷处理. 这表明 ,介质中砷浓度较高时 ,羽
叶细胞壁组分对磷的固持减少. 与叶柄相似 ,随介
质中砷浓度的提高 ,羽叶细胞器组分的磷含量也呈
上升趋势:0. 2mmol L -1砷处理下 ,细胞器组分的磷
含量较对照提高 37%. 2. 5 mmo l L- 1钙处理下 ,细
胞壁组分的磷含量较低 ,分别为 0. 03、5. 0 mmo l
L
-1钙处理的 76%和 71%;而细胞器组分的磷含量
高于其它 2个钙处理. 这说明 ,在正常钙水平下 ,蜈
蚣草细胞壁对磷的束缚较弱 ,有更多的磷可以进入
细胞器中以维持植物的正常生理功能.
从不同器官的比较来看 ,在相同砷或钙处理水
平下 ,蜈蚣草胞质组分的磷含量均为从根→叶柄→
羽叶而呈下降的趋势(表 1和表 2).
2.2　蜈蚣草中钙的亚细胞分布
蜈蚣草根部各亚细胞组分的钙含量均以细胞
壁组分最大 ,为 4571 ～ 12788 mg kg- 1 ,占根部总钙
含量的 45% ～ 73%(表 3);其次为胞质组分 ,其钙
含量占根部总钙含量的 16% ～ 40%;而细胞器组分
仅占 9% ～ 28%. 统计分析表明 , 0. 1、0. 2 mmo l L - 1
砷处理下 ,细胞壁组分的平均钙含量分别比对照提
高 38%和 34%(表 4). 因此 ,加砷处理显著增加根
部细胞壁组分的钙含量 ,使更多的钙束缚在根部细
胞壁上.与微钙 (0. 03 mmol L- 1)处理比较 , 2. 5、5.
0mmo l L -1钙处理下胞质和细胞器组分中钙含量均
提高 1. 0倍左右. 2. 5mmo l L -1钙处理中 ,细胞壁组
分的钙含量显著高于其它 2个钙处理水平.砷 、钙处
理与根部细胞壁和细胞器组分的钙含量分别呈显
著和极显著的正交互效应(表 4).
表 3　蜈蚣草各器官中钙的亚细胞分布
Tab le 3　C a conten ts of the variou s sub cellu lar fraction s in P. vi tta ta L.
处理浓度
/(mmo l L - 1)
As Ca
wCa /(mg kg - 1)
根
胞质 细胞壁 细胞器
叶柄
胞质 细胞壁 细胞器
羽叶
胞质 细胞壁 细胞器
0 0. 03 1461±113 4571±513 915±158 751±48 1664±2204 423±71 2299±184 4434±1408 1300±1174
0 2. 5 3689±328 6030±94 3536±1533 2000±400 3615±1230 748±15 7424±1335 8272±1116 1794±21
0 5. 0 4884±857 5967±161 1526±164 3552±811 4348±1237 1356±460 7995±2453 8193±615 1206±35
0. 1 0. 03 1713±68 7443±817 1185±8 583±125 1228±241 426±19 4528±903 5243±741 1040±744
0. 1 2. 5 3101±1421 10841±234 1124±417 1506±58 2276±575 719±199 9222±1324 7320±171 1899±174
0. 1 5. 0 3904±1195 8849±1613 1602±716 2285±732 3292±1566 738±101 8146±1049 10079±28 1265±712
0. 2 0. 03 2772±79 6340±2566 948±498 472±56 972±104 453±85 3038±440 3364±297 876±588
0. 2 2. 5 4360±477 12788±1122 1719±1186 1918±323 3264±495 306±129 8811±350 8919±594 1450±221
0. 2 5. 0 3794±2062 6072±77 3759±912 6216±3536 5616±3205 650±369 8227±2500 8770±54 2321±1142
　　注:所有数值均为平均值±标准差(n=4).
　　叶柄各亚细胞组分的钙含量分布与根部的规
律相似. 总体来看 ,除高砷高钙 (A s、Ca浓度分别为
0. 2、5. 0mmol L -1)处理外 ,钙主要分布在细胞壁组
分中 ,其含量为 972 ～ 4348 mg kg- 1 ,占叶柄总钙含
量的 46% ～ 72%,平均为 56%.其次是胞质组分 ,其
钙含量为 472 ～ 3552 mg kg- 1 ,占叶柄总钙含量的
25% ～ 39%(表 3). 0. 1、0. 2 mmo l L - 1砷处理下 ,细
胞器组分的钙含量较对照分别减少 25%和 45%.可
见 ,加砷处理明显抑制细胞器组分中钙的分布. 高
砷 (0. 2 mmo l L- 1)处理下 ,胞质组分的钙含量比对
照和 0. 1 mmo l L -1砷处理分别提高 37%和 1. 0倍
左右 (表 4). 叶柄中各亚细胞组分的钙含量随介质
中钙水平的提高而明显增加:5. 0 mmo l L- 1钙处理
下 ,胞质组分的钙含量分别是 0. 03、2. 5 mmo l L - 1
钙处理的 6. 7和 2. 2倍 ,细胞器组分的钙含量分别
是 0. 03、2. 5 mmo l L - 1钙处理的 2. 1和 1. 5倍.
羽叶中各亚细胞组分的钙含量分布不同于根
部和叶柄.在 9个处理中 ,羽叶细胞壁和胞质组分的
钙含量分别占羽叶总钙含量的 40% ～ 56%和 28%
～ 50%,平均为 48%和 42%(表 3). 加砷处理对羽
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环　　境　　科　　学　　学　　报 26卷
叶各亚细胞组分的钙含量没有显著影响. 在 2. 5、
5.0mmo l L- 1钙处理下 ,胞质和细胞壁组分的钙含
量分别比 0. 03mmo l L -1钙处理提高 1. 5和 1. 0倍.
因此 ,提高钙处理浓度 ,则胞质和细胞壁组分的钙
含量显著增加 (表 4).
表 4　蜈蚣草各器官中钙的亚细胞分布的统计分析结果
Tab le 4 C a con ten ts of th e variou s subce llu lar fractions in P. vitta ta L.
处理浓度
/(mm ol L - 1)
wCa /(mg kg- 1)
根
胞质 细胞壁 细胞器
叶柄
胞质 细胞壁 细胞器
羽叶
胞质 细胞壁 细胞器
ANOVA Test
As
0 3345 a 5524b 1992a 2101a 3209a 842a 5906a 6966a 1433a
0. 1 2906a 9044a 1304a 1458a 2266a 628ab 7299a 7547a 1401a
0. 2 3642a 8401a 2142a 2869a 3284a 466b 6692a 7018a 1549a
C a
0. 03 1982b 6118b 1016b 602b 1288b 434b 3289b 4347b 1072a
2. 5 3717a 9886a 2126a 1808b 3052a 591b 8486a 8170a 1714a
5. 0 4194a 6962b 2296a 4018a 4418a 915a 8123a 9014a 1597a
F test
As NS ** NS NS NS * NS NS NS
C a * ** NS ** ** ** *** *** NS
C a×A s NS * ** NS NS NS NS ** NS
　　NS:p≥ 0. 05;*:p<0. 05;**:p<0. 01;***:p<0. 001. 所有的数值均为平均值(n=12);平均值后标注不同小写字母表示各处理
水平之间存在显著差异.
　　从总趋势来看 ,加砷处理对各亚细胞组分中钙
含量的影响为:从根→叶柄 →羽叶逐渐减弱 ,而钙
处理对其影响表现为由根到地上部逐渐增强的趋
势 (表 4).
2.3　蜈蚣草各器官的亚细胞组分中磷和钙的相对
比例
图 1为不同砷 、钙处理下蜈蚣草根 、叶柄和羽叶
的各亚细胞组分中含磷总量占整株植物含磷总量
的相对比例 (含磷总量 =磷含量 ×生物量 ,下同 ).
总的来看 ,蜈蚣草各器官平均含磷总量的相对比例
表现为:根 >羽叶 >叶柄. 其中 ,根部含磷总量占
植株含磷总量的比例为 44% ～ 56%,羽叶为 29% ～
36%,叶柄为 15% ～ 23%. 这表明 ,蜈蚣草积累的磷
主要分布在根部. 从亚细胞层次来看 ,各亚细胞组
分的含磷总量占相应部位含磷总量的相对比例为:
胞质 >细胞壁 ≥细胞器. 0. 1和 0. 2 mmo l L -1砷
处理下 ,叶柄细胞器组分含磷总量的相对比例分别
为对照的 2. 5和 2. 6倍 ,羽叶细胞器组分中含磷总
量的相对比例为对照的 1. 4和 1. 7倍. 因此 ,加砷处
理提高蜈蚣草地上部细胞器组分的含磷总量. 5. 0
mmo l L - 1钙处理下 ,根部胞质组分含磷总量的相对
比例达到 32%,分别是 0. 03和 2. 5 mmo l L - 1钙处
理的 1. 3和 1. 8倍.胞质组分含磷总量的相对比例
以 2. 5 mmo l L - 1钙处理为最高 (达 16%),分别为
0. 03和 5. 0mmol L -1钙处理的 1. 6和 1. 9倍. 2. 5
mmo l L - 1钙处理下 ,羽叶细胞器组分含磷总量的相
对比例显著高于微钙 (0. 03 mmo l L -1)处理 (p <
0.05),但与高钙 (5. 0 mmo l L - 1)处理差异不显著.
这表明 ,钙显著影响叶柄胞质组分和羽叶细胞器组
分含磷总量所占的相对比例.
蜈蚣草羽叶含钙总量 (含钙总量 =钙含量 ×生
物量 ,下同 )占整株植株含钙总量的比例为 48% ～
65%,根部为 27% ～ 48%,叶柄仅占 6% ～ 9%(图
2),因此不同器官含钙总量所占的比例表现为:羽
叶 >根 叶柄. 根部各亚细胞组分含钙总量所占
的比例为:细胞壁 (15% ～ 31%) >胞质 (6% ～
11%) >细胞器 (1% ～ 6%),而在地上部为:细胞
壁 ≈胞质 >细胞器. 在各亚细胞组分含钙总量所
占的比例中 ,均以细胞壁组分最高.在 2个加砷处理
中 ,其根部细胞壁含钙总量所占的比例高于对照 ,
958
6期 肖细元等:砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系
而羽叶细胞壁组分含钙总量所占的比例低于对照.
高砷(0. 2mmol L -1)处理下 ,叶柄细胞器组分含钙
总量所占的比例显著减少 (p <0. 05),分别是对照
和 0. 1 mmol L -1砷处理的 62%和 63%. 2. 5、5. 0
mmo l L -1钙处理下 ,根部细胞壁中含钙总量的相对
比例分别为 0. 03 mmo l L -1钙处理的 65%和 46%.
因此 ,根部细胞壁含钙总量所占的相对比例随钙处
理浓度的提高而显著减少 ,叶柄胞质组分及羽叶细
胞壁组分含钙总量所占的比例随介质中钙处理浓
度的增加而明显增加(p<0. 05).
图 1　砷 、钙处理下蜈蚣草各亚细胞组分的含磷总量与植株含磷总量比(ANOVA Test)
Fig. 1　Percentage of P accum u lation in the variou s subce llu lar fractions ofP. vit ta ta L. treated w ith As and C a (ANOVA Test)
图 2　砷 、钙处理下蜈蚣草各亚细胞组分的含钙总量与植株含钙总量比(ANOVA Test)
Fig. 2　Percen tage of C a accumu lat ion in the various sub cellu lar fraction s of P. vit tata L. treatedw ith A s and C a (ANOVA Tes t)
3　讨论 (D iscussion)
蜈蚣草吸收的磷主要分布在胞质组分中 ,各器
官的胞质组分的磷含量占相应器官中总磷含量的
比例达 44%以上 (表 1). 加砷条件下 ,根部和叶柄
中细胞壁组分的磷含量呈下降趋势 ,地上部细胞器
中的磷含量有所增加 (表 2).李文学等人(2004)利
用配备 EDX的环境扫描电镜 (ESEM)研究发现 ,在
加砷处理的水培条件下 ,蜈蚣草羽叶上毛状体的磷
的相对质量比不加砷处理提高近 80%,但表皮细胞
和叶肉细胞中磷的分布则显著减少 ,与砷的分布规
律相似;而且磷和砷在毛状体不同细胞上的分布也
基本相似:节细胞和基细胞分布较多 ,冒细胞较少.
采用同步辐射 X射线荧光方法 (SRXRF)的研究表
明 ,在另一种凤尾蕨属的砷超富集植物 (大叶井口
边草 )的羽叶 、叶脉和叶柄中 ,磷与砷含量的微区分
布也存在极显著的正相关 (陈同斌等 , 2003). 这些
研究都表明 ,在砷超富集植物中 ,磷 、砷之间并不存
在拮抗效应 ,而是呈协同效应 (陈同斌等 , 2002b).
陈同斌等人 (2005)研究蜈蚣草中砷的亚细胞
分布发现 ,加砷处理下其羽叶富集的砷有 78%分布
在胞质组分中 ,羽叶胞质的砷占整株植物含砷总量
的 61%;而且在高砷 (0. 2 mmo l L- 1)条件下 ,细胞
器组分的砷含量始终保持在较低水平. 本研究显
示 ,加砷处理中蜈蚣草地上部呈现出细胞壁组分磷
含量减少 、而细胞器中磷含量相应增加的趋势. 这
959
环　　境　　科　　学　　学　　报 26卷
表明 ,砷胁迫可使蜈蚣草通过调节磷在亚细胞水平
上的分布 ,阻止过多的砷进入细胞器 ,避免其细胞
器受到伤害.这可以在一定程度上起到保护植物正
常生命活动的作用 , 有利于提高蜈蚣草的耐砷毒
能力.
细胞壁是植物的主要钙库 ,在细胞中绝大部分
钙都以构成细胞壁果胶质的结构成分存在 (Jarv is,
1982).蜈蚣草体内的钙也主要分布在细胞壁中 ,其
钙含量占相应器官中总钙含量的 48%以上 (表 3).
加砷处理对蜈蚣草各器官的胞质组分中钙含量影
响不明显 ,但增加根部细胞壁中的钙含量 (表 4).水
培实验中 ,高砷处理(5mg L - 1)使菜豆地上部的钙
含量显著提高 (Carbonell et al. , 1997),加砷 (0. 8
mg L -1)使水稻地上部的钙含量高于不加砷处理
(Marin, 1992).李文学等人 (2004)利用研究发现 ,
在 10mg L -1砷处理下 ,蜈蚣草羽叶毛状体中钙的
相对质量比对照增加 50%.陈同斌等人 (2003)利用
SRXRF技术对砷超富集植物大叶井口边草 (P teris
nervosa)进行微区研究发现 ,钙与砷的分布呈显著正
相关. 因此 ,无论是普通植物还是砷超富集植物 ,加
砷处理均会促进植物对钙的吸收. 钙吸收的增多并
分布在细胞壁中 ,有利于增加细胞壁的稳定性 ,维
持正常的结构和功能 ,提高耐砷毒能力.
高钙 (5. 0 mmol L- 1)处理显著促进蜈蚣草根
部对磷的吸收 ,根部胞质组分的磷含量较低钙处理
高 ,其各亚细胞组分的钙含量也显著增加 ,特别是
叶柄和根部的胞质组分中钙含量远高于微钙 (0. 03
mmo l L -1)处理 (表 2).室内土培试验结果显示 ,添
加 800mg kg- 1砷处理时 ,在表现出砷中毒症状的
蜈蚣草羽叶中 ,其细胞内钙出现异常分布 ,细胞间
隙及细胞质中钙含量增加 ,甚至在细胞质中还出现
钙颗粒 (Li et a l. , 2006).通过蜈蚣草超微结构的研
究也发现 ,在高钙浓度处理下 ,其羽叶的细胞质中
有大量的钙沉淀颗粒 (廖晓勇等 , 2006). 在普通植
物中 ,细胞质内 Ca2+浓度过高会与细胞质中的磷酸
根形成沉淀 , 扰乱以无机磷为基础的能量代谢系统
(Hepler, 1985).从亚细胞层次来看 ,钙浓度过高同
样也会干扰蜈蚣草体内磷的正常生理活动.
4　结论 (Conclusion)
1)在蜈蚣草体内 ,磷主要存在于胞质组分中 ,
钙主要分布在细胞壁组分中;加砷处理使磷趋于优
先分布在细胞器组分中.
2)高钙(5. 0mmo l L -1)处理下 ,根部胞质的磷
含量显著高于低钙处理 ,且根部和叶柄胞质组分中
的钙含量较高 ,干扰其体内磷和钙的正常生理代
谢.加砷处理使蜈蚣草地上部细胞器组分的磷含量
和根部细胞壁的钙含量呈上升趋势 ,提高蜈蚣草根
部细胞壁中的钙含量 ,且对亚细胞组分中钙含量的
影响由根部到羽叶逐渐减弱. 因此 ,砷胁迫下 ,蜈蚣
草通过调节磷 、钙的亚细胞分布来提高其耐砷毒的
能力.
通讯作者简介:陈同斌 ,博士生导师 、研究员 , 中国科学院地
理科学与资源研究所环境修复研究中心主任 、地表环境化学
过程与健康实验室主任. 主要从事植物修复 、固体废弃物堆
肥 、区域土壤环境质量与风险评估研究. 主持 “ 863”课题 、
“ 973”课题 、国家自然科学基金重点项目等 40多项 , 发表论
文近 200篇 , 获得发明专利 18项.
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