全 文 ：锰胁迫对垂序商陆生长发育的影响*
梁文斌
1
薛生国
2＊＊
沈吉红
1
王 萍
1
雷 杰
2
(1 中南林业科技大学生命科学与技术学院，长沙 410004;2 中南大学冶金科学与工程学院环境工程系，长沙 410083)
摘 要 以垂序商陆为试验材料，采用温室溶液培养方法，在生长介质中添加不同浓度(1、
5、8、12 和 15 mmol·L－1)的锰离子，研究锰胁迫对垂序商陆生长发育的影响。结果表明:随
着生长介质中锰含量的升高，垂序商陆种子的发芽率、发芽势和有丝分裂指数逐渐降低，幼
苗根的生长逐渐受到抑制，根系活力呈下降趋势，植物体各器官的生物量减少。当锰胁迫
浓度≥12 mmol·L－1时，锰对垂序商陆的生长发育产生非常明显的毒害效应，导致种子的发
芽、根尖有丝分裂和幼苗根的生长受到严重抑制，生物量显著减少。锰胁迫对垂序商陆幼
苗的芽影响较小，而对生殖器官影响较大，严重降低了垂序商陆的结实数量与质量。
关键词 锰胁迫;垂序商陆;生长发育
中图分类号 Q943 文献标识码 A 文章编号 1000－4890(2011)8－1632－05
Effects of manganese stress on Phytolacca americana growth and development． LIANG
Wen-bin1，XUE Sheng-guo2＊＊，SHEN Ji-hong1，WANG Ping1，LEI Jie2 (1 College of Life Sci-
ence and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，
China;2Department of Environmental Engineering，Central South University，Changsha 410083，
China)． Chinese Journal of Ecology，2011，30(8) :1632－1636．
Abstract:A hydroponic experiment was conducted to study the growth responses of Phytolacca
americana to the stress of different Mn concentrations (1，5，8，12，and 15 mmol·L－1)． With
the increasing Mn concentration in growth medium，the seed germination rate，germination poten-
tial，and mitotic index of P． americana decreased，root growth was inhibited gradually，root ac-
tivity presented a decreasing trend，and the biomass of plant organs reduced． Under the stress of
Mn≥ 12 mmol·L－1，the Mn had very obvious toxic effect on the growth of P． americana，which
was manifested in the serious inhibition of seed germination，root tip’s cell division，and seed-
ling’s root growth and in the significant decrease of plant biomass． Mn stress had little effects on
the buds of P． americana seedlings，but large effects on the reproductive organ，resulting in a
great decrease of bearing fruit quantity and quality．
Key words:manganese stress;Phytolacca americana;growth and development．
* 国家自然科学基金项目(40771181)和国家公益性(环保)行业科
研项目(200909065 和 201109056)资助。
＊＊通讯作者 E-mail:sgxue70@ yahoo． com． cn
收稿日期:2010-02-15 接受日期:2011-05-05
锰是植物生长必需的微量元素之一，在植物光
合电子传递系统中的氧化还原、叶绿素形成和维持
叶绿素正常结构中起着至关重要的作用，直接影响
植物的生长发育。土壤锰含量变幅比较大，一般在
100 ～ 5000 mg·kg－1，平均为 850 mg·kg－1(全国土
壤普查办公室，1998) ，植物含锰量一般在 20 ～ 500
mg·kg－1，＞1000 mg·kg－1时可能受毒害(张瑞朋
等，2006)。
全世界平均每年排放 Mn约 1500 万 t(周泽义，
1999)。这些次生矿物质和工业排放的锰在酸性土
壤条件下(pH＜5. 5)往往以可溶性锰的形态进入土
壤溶液，导致植物遭受锰的毒害。酸性土壤占我国
耕地面积的 21%(熊毅和李庆逵，1987) ，除了铝毒
对作物生产影响最大外，锰毒则是酸性土壤中仅次
于铝毒的限制因素(Foy，1984)。薛生国等(2003;
2008)在湖南省湘潭锰矿尾矿废弃地发现锰超积累
植物垂序商陆(Phytolacca americana L．)后，由于其
适应性强，生长快，生物量大，成为近年来颇受关注
的实验材料，相关研究涉及植物解剖结构(徐根娣
等，2008)、超积累机制(徐向华等，2008;豆长明等，
2010)、光合作用(梁文斌等，2010)、生理生化(王海
生态学杂志 Chinese Journal of Ecology 2011，30(8) :1632－1636
华等，2009;王志颖等，2009;沈吉红等，2009)等。植
物修复技术以其安全、廉价等众多优点成为学术界
重金属污染研究的热点(周启星等，2007)。垂序商
陆因其高耐锰性和强适应性，在锰毒污染环境修复
方面有很好的应用前景。本文采用温室水培试验，
研究锰胁迫对垂序商陆生长发育的影响，旨在对垂
序商陆的锰耐性机制方面开展一些有益的探索，为
锰污染环境修复及锰矿业废弃地生态重建提供科学
依据。
1 材料与方法
1. 1 供试材料
试验材料为垂序商陆，其种子采自湖南省湘潭
锰尾矿废弃地。
1. 2 种子发芽与锰胁迫处理
垂序商陆种子经低温处理和消毒后，放入铺有
双层滤纸的培养皿内。锰处理浓度分别为 0. 005
(CK)、1、5、8、12 和 15 mmol·L－1，以 MnCl2·4H2O
形式加入。每个培养皿内放入 20 粒种子，锰处理液
20 ml，各处理浓度均设 5 个重复，于 25 ℃恒温培养
箱中进行无光培养，每天添加去离子水以维持培养
液原有水平。种子萌发 3 d后统计发芽势。种子萌
发 7 d后统计发芽率，用镊子将萌发苗取出，用滤纸
吸去表面水分，测定其根长、芽鲜重、根鲜重。
发芽率与发芽势统计参考目前作物上所采用的
计算方法(GB /T 3543. 4－1995) ，即:
发芽率 = 7 d 发芽的种子数 /供试验种子数 ×
100%
发芽势 = 3 d 发芽种子数 /供试验种子数 ×
100%
1. 3 有丝分裂指数
将垂序商陆种子置于培养皿中，加入适量蒸馏
水于 25 ℃培养箱中催芽 48 h，吸去表面水分，分别
播入锰含量为 0. 005(CK)、1、5、8、12 和 15 mmol·
L－1的溶液中培养 24 h，每处理 20 粒，5 个重复。参
照朱广廉等(1990)的方法计算有丝分裂指数。
1. 4 营养液培养
选取生长一致的垂序商陆健壮幼苗移栽至体积
为 20 L的塑料箱内，采用 Hoagland 营养液培养，当
幼苗生长至 7 叶 1 心时进行锰胁迫处理，锰浓度分
别 0. 005(CK)、1、5、8、12 和 15 mmol·L－1，每处理 2
盆 70 株。营养液每 5 d 更换 1 次，用增氧泵通气，
每天添加蒸馏水以保持培养液体积，pH 值调至 6. 0
～ 6. 2，温度约为 25 ℃。
1. 5 根系活力的测定
根系活力测定采用 α-萘胺氧化法(张志良和瞿
伟菁，2002)。其基本原理是根系能氧化吸附在根
表面的 α-萘胺，生成红色的 α-羟基-1-萘胺，可根据
根表面染色深浅定性地判断根的活力，也可测定溶
液中未被氧化的 α-萘胺量，定量测定根系活力的大
小。
1. 6 生物量的测定
将垂序商陆用自来水冲洗后，滤纸吸干表面水
分，用不锈钢剪刀将根、茎及果穗分开，分别测定根
系、茎和果穗的长度和鲜重。
1. 7 数据计算及处理
采用 SPSS 13. 0 软件进行方差分析、最小显著
差异性检验(LSD法，α=0. 05)。
2 结果与分析
2. 1 锰胁迫对垂序商陆种子萌发的影响
种子萌发的发芽率、发芽势和有丝分裂指数均
随着锰处理浓度的上升而逐渐下降(图 1，图 2)。
当锰浓度为 1、5、8、12 和 15 mmol·L－1时，发芽率分
别比对照下降了 41%、52%、52%、77%和 98%;发
芽势分别比对照下降了 20%、27%、23%、58% 和
69%;根尖细胞有丝分裂指数分别比对照下降了
13%、22%、17%、65%和 70%。这表明锰胁迫对垂
序商陆种子萌发及根尖细胞分裂表现出抑制作用，
且随锰浓度升高抑制作用逐渐增强，在高浓度锰胁
迫下(Mn≥12 mmol· L－1) ，这种抑制效应非常
明显。
2. 2 锰胁迫对垂序商陆幼苗生长的影响
在不同锰浓度胁迫下，幼苗芽的伸长生长和增
重基本未受到影响，但幼苗根的生长受到不同程度
图 1 锰胁迫对垂序商陆种子发芽的影响
Fig． 1 Effects of manganese stress on germination of Phy-
tolacca americana seeds
不同小写字母表示各处理间差异显著(P＜0. 05)。
3361梁文斌等:锰胁迫对垂序商陆生长发育的影响
图 2 锰胁迫对垂序商陆有丝分裂指数的影响
Fig． 2 Effects of manganese stress on mitosis index of Phy-
tolacca americana
不同小写字母表示各处理间差异显著(P＜0. 05)。
表 1 不同锰浓度对垂序商陆幼苗生长的影响
Table 1 Effects of Mn concentrations on seedling growth
处理浓度
(mmol·L－1)
根长
(cm)
幼苗芽长
(cm)
根鲜重
(mg·株－1)
幼苗芽鲜重
(mg·株－1)
0. 005 2. 21±0. 54 a 2. 32±0. 24 a 4. 13±0. 71 a 13. 48±2. 82 a
1 2. 60±0. 42 a 2. 06±0. 38 a 3. 56±0. 99 ab 13. 59±3. 25 a
5 2. 39±0. 93 a 2. 54±0. 41 a 2. 57±0. 66 b 12. 79±3. 07 a
8 2. 19±0. 55 a 2. 62±0. 28 a 3. 28±0. 90 ab 15. 20±2. 45 a
12 1. 90±0. 34 b 2. 14±0. 41 a 2. 83±0. 87 b 12. 96±4. 32 a
15 0. 76±0. 11 c 2. 10±0. 29 a 2. 07±0. 51 bc 10. 89±3. 31 a
同列不同小写字母表示差异显著(P＜0. 05)。
的影响(表 1)。当锰浓度＜8 mmol·L－1时，垂序商
陆幼苗根未受到明显影响，但在高浓度锰胁迫(≥
12 mmol·L－1)下，幼苗根的伸长受到明显抑制，当
锰浓度为 15 mmol·L－1时，垂序商陆幼苗根的长度
比对照减少了 66%，其鲜重减少了 50%，表明垂序
商陆幼苗根系易受锰胁迫影响，高浓度锰胁迫对幼
苗根的生长表现出明显的抑制效应。
2. 3 锰胁迫对垂序商陆根系活力的影响
根系是植物吸收水分和养分的重要器官，其活
力下降必然会明显影响地上部分的生长，降低植物
的生物量。在营养液中培养 15 d 后测定不同浓度
锰处理对垂序商陆根系活力的变化。通过染色定性
鉴别的方法，观察不同锰浓度处理下垂序商陆根尖
活力，染色越深，根系活力越强。当生长介质锰浓度
为 1 mmol·L－1时，根系染色深，表明根系活力最强，
而随着锰胁迫处理浓度升高，根系染色变浅。通过
定量测定分析(图 3) ，对照根系活力值为 1011. 16
μg·h－1·g－1 FW，当锰浓度为 1 mmol·L－1时，根系
活力值有所升高，达到 1039. 80 μg·h－1·g－1 FW，但
与对照无显著差异(P＞0. 05) ，因而较低浓度的锰胁
迫对根系活力基本没有影响。随着锰处理浓度的继
续上升，根系活力基本呈现下降的趋势，低于
1000 μg·h－1·g－1 FW，表明锰胁迫降低垂序商陆
图 3 锰胁迫对垂序商陆根系活力的影响
Fig． 3 Effects of manganese stress on root activities of Phy-
tolacca americana
不同小写字母表示处理之间差异显著(P＜0. 05)。
表 2 锰胁迫处理对垂序商陆器官长度的影响(cm)
Table 2 Effects of manganese stress treatments on organ
lengths of Phytolacca americana
处理浓度
(mmol·L－1)
根系总长 根系直径 茎长度 果穗长
0. 005 18. 2±3. 6 c 1. 7±0. 2 b 119. 4±8. 1 a 14. 3±0. 9 b
1 18. 6±4. 8 c 2. 1±0. 2 b 117. 0±3. 9 a 18. 6±0. 2 a
5 19. 6±1. 3 c 3. 4±0. 3 a 112. 3±11. 2 a 10. 8±1. 1 c
8 25. 8±2. 8 b 1. 6±0. 2 b 92. 8±9. 5 b 10. 5±0. 6 c
12 43. 8±9. 4 a 1. 0±0. 1 c 82. 0±3. 2 c 2. 3±1. 0 d
同列不同小写字母表示数值间差异显著(P＜0. 05)。
根系活力，进而降低了根系对营养物质及水分的吸
收，直接影响植物体的生长。
2. 4 锰胁迫对垂序商陆生物量的影响
垂序商陆生长 45 d 时，对照植株已经结实，此
时收获各处理下垂序商陆植株根、茎和果穗进行生
物量测定。由于 15 mmol·L－1锰胁迫处理下的垂序
商陆植株已经枯萎，无法进行生物量测定。从表 2
可以看出，锰胁迫对垂序商陆各器官的长度有明显的
影响。根系长度随着锰浓度的上升开始变长，当锰处
理浓度达 8 mmol·L－1以上时显著变长(P＜0. 05)，比
对照增加 42%，但根系直径在锰处理浓度为 5 mmol
·L－1时比对照明显变大(P＜0. 05)，说明锰对发根量
有一定的刺激作用，但当锰胁迫浓度超过 8 mmol·
L－1时垂序商陆根系直径则显著降低(P＜0. 05)。垂序
商陆茎的长度当和长介质锰胁迫浓度达 5 mmol·L－1
时仍未受到影响，当锰浓度超过 8 mmol·L－1时垂序
商陆茎的长度显著变短(P＜0. 05) ，其长度为对照的
78%。果穗长度随锰胁迫的加强而显著变短(P＜
0. 05) ，在锰浓度为 12 mmol·L－1时，果穗的长度受
到极大影响，其长度仅为对照的 17%。
从表 3 可以看出，在锰胁迫下根系的重量变化
不大，各处理间无明显差异。茎的重量在生长介质
4361 生态学杂志 第 30 卷 第 8 期
表 3 不同锰胁迫处理对垂序商陆器官重量的影响(g)
Table 3 Effects of manganese stress treatments on weights
of Phytolacca americana organs
处理浓度
(mmol·L－1)
根鲜重 茎鲜重 果穗鲜重
0. 005 2. 42±0. 21 a 6. 90±0. 11 b 3. 05±0. 41 a
1 2. 86±1. 37 a 11. 04±2. 43 a 0. 97±0. 70 b
5 3. 08±0. 83 a 11. 03±3. 89 a 0. 23±0. 01 c
8 2. 19±0. 87 a 7. 86±1. 50 b 0. 07±0. 01 c
12 2. 71±1. 00 a 6. 87±1. 06 b 0. 13±0. 00 c
同列不同小写字母表示数值间差异显著(P＜0. 05)。
中锰水平为 1 和 5 mmol· L－1时显著升高(P ＜
0. 05) ，比对照升高 37%，说明对茎的生长有一定的
促进作用。当锰胁迫浓度超过 8 mmol·L－1时垂序
商陆茎的重量比锰浓度为 5 mmol·L－1时显著降低
(P＜0. 05) ，与对照间无显著差异。果穗的重量随着
锰浓度的升高呈明显下降。从果穗长和果穗重变化
趋势来看，果穗的生长发育受锰浓度变化影响最大。
因此，锰胁迫对垂序商陆生殖器官影响最明显，这将
严重降低其繁殖能力。
3 讨 论
虽然锰是植物生长的必需微量元素之一，但过
量的锰对植物的生长发育产生毒害作用。根尖分生
区是易受锰毒危害的部位，锰对根尖细胞的直接伤
害是细胞质受损、根冠细胞及分生细胞质膜破裂
(Santandrea et al．，1998) ，直接导致根的生长发育受
到抑制。本研究也证实了锰毒对种子萌发及幼苗根
尖细胞的伤害，即发芽势、发芽率和根尖细胞分裂指
数降低以及幼苗根的生长受到抑制，同时锰浓度越
高其毒害性越大，对根生长的抑制作用也越强。
垂序商陆生物量随着锰处理浓度的升高而降
低。随着锰处理浓度的增加，根数量、茎鲜重及果穗
长度和与鲜重明显减少。根部是重金属进入植物体
的门户，也是最易受重金属毒性影响的部位，根系容
易受到伤害，症状常表现为根量减少(王慧忠和何
翠屏，2003) ，生长受到抑制，造成生理代谢失调，吸
收能力减弱，导致植物体营养亏缺，植物生长减慢，
生物量减少。本研究表明，当锰供应水平高时，根系
受到抑制，其直径明显减少，即根数量明显减少，导
致茎的重量也明显减少。H2O2 水平和氧化损伤程
度升高以及锰积累可能是高锰胁迫下垂序商陆生长
受抑的生理原因(王海华等，2009)。但在锰供应水
平较低时根系直径比对照增加，即根数量增多，表明
低锰处理对垂序商陆发根量有一定的刺激作用，因
而茎的重量也随之增加。
重金属胁迫使植物体营养器官的生物量减少，
营养生长不良，造成花器官发育不完全或数量减少，
果实发育迟缓，产量低等(Najma ＆ Aisha，2006)。
此外，锰胁迫下垂序商陆叶片光合效率降低(梁文
斌等，2010) ，导致光合产物减少，不能满足植物生
殖生长所需要的营养物质。在本试验中我们也发现
类似的结果，即随着锰处理浓度的增加，垂序商陆果
穗的长度和重量显著减少，表明锰胁迫对垂序商陆
生殖生长产生明显的影响。
4 结 论
锰胁迫对垂序商陆种子发芽和根尖细胞的有丝
分裂有抑制效应。随着生长介质中锰含量的升高，
抑制作用逐渐增强，当锰浓度≥12 mmol·L－1时，表
现出非常明显的抑制效应。
垂序商陆幼苗根的生长比芽易受到锰胁迫的影
响。随着生长介质中锰含量的升高，幼苗根的生长
逐渐受到抑制，当锰浓度≥12 mmol·L－1时，抑制作
用明显。根系活力易受到锰胁迫的影响，随着锰处
理浓度的上升呈现下降的趋势。
垂序商陆生物量随着锰处理浓度的升高而降
低，在锰浓度为 12 mmol·L－1时，生物量明显降低。
生殖器官受锰胁迫的影响最大，严重降低了垂序商
陆的结实数量与质量。
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作者简介 梁文斌，男，1963 年生，副教授，博士研究生，主
要从事植物重金属抗性生理研究。E-mail:topeasie@ 163．
com
责任编辑 魏中青
6361 生态学杂志 第 30 卷 第 8 期