全 文 ：第 31 卷第 8 期
2011 年 8 月
环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 31，No． 8
Aug．，2011
基金项目:国家自然科学基金项目(No． 30560032) ;广西教育厅项目(No． 200707MS048，200807LX043，201010LX129) ;广西环境科学重点学科
项目;桂林电子科技大学博士启动基金项目(No． Z20718) ;广西师范大学博士启动基金项目;广西环境工程与保护评价重点实验室项目
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No． 30560032) ，the Programs Foundation of Ministry of Education of Guangxi，China
(No． 200707MS048，200807LX043，201010LX129) ，the Major Discipline Project of Guangxi Environment Science，the Doctoral Scientific Research
Foundation of Guilin University of Electronic Technology，China (No． Z20718) ，the Doctoral Scientific Research Foundation of Guangxi Normal
University and the Research Funds of the Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering，Protection and Assessment
作者简介:于方明(1975—) ，男，博士，E-mail:Fmyu1215@ 163． com;* 通讯作者(责任作者)，E-mail:coffeeleave@ 126． com
Biography:YU Fangming(1975—) ，male，Ph． D．，E-mail:Fmyu1215@ 163． com;* Corresponding author，E-mail:coffeeleave@ 126． com
于方明，李燕，刘可慧，等． 2011． Mn对超富集植物短毛蓼和水蓼生长、Mn吸收及氮素代谢的影响［J］．环境科学学报，31(8) :1783-1789
Yu F M，Li Y，Liu K H，et al． 2011． Effects of manganese on the growth and nitrogen metabolism in hyper-accumulators Polygonum pubescens Blume and
Polygonum hydropiper L．［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，31(8) :1783-1789
Mn对超富集植物短毛蓼和水蓼生长、Mn 吸收及氮素
代谢的影响
于方明1，3，李燕1，刘可慧2，* ，李明顺1，3，邓华1，3，杨栋林4，周振明1，3
1． 广西师范大学环境与资源学院，桂林 541004
2． 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，桂林 541004
3． 广西环境工程与保护评价重点实验室，桂林 541004
4． 广西师范大学生命科学学院，桂林 541004
收稿日期:2010-11-09 修回日期:2011-01-18 录用日期:2011-01-27
摘要:采用水培的方法，研究了不同浓度 Mn(0． 0003、0． 5、1、2、4、8 mmol·L －1)对 Mn 超富集植物短毛蓼(Polygonum pubescens Blume)和水蓼
(Polygonum hydropiper L．)叶片铵态氮、硝态氮、游离脯氨酸、可溶性蛋白质含量及氮素代谢关键酶:硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、
谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性的影响．结果表明，随着 Mn处理浓度的增加，短毛蓼和水蓼的根、茎、叶中 Mn含量显著增加
(p ＜ 0． 05) ，在相同 Mn处理浓度下短毛蓼中 Mn含量均大于同部位水蓼中 Mn含量．在 Mn处理浓度小于 1 mmol·L －1时，Mn对短毛蓼的株高、
株重影响不显著，但对水蓼的影响显著(p ＜ 0． 05) ，表明短毛蓼比水蓼更耐 Mn污染． Mn处理显著降低了短毛蓼硝态氮含量(p ＜ 0． 05) ，提高了
可溶性蛋白质含量，浓度为 8 mmol·L －1的 Mn处理显著提高了水蓼硝态氮、铵态氮、可溶性蛋白质含量及短毛蓼、水蓼游离脯氨酸含量(p ＜
0. 05)． Mn引起了短毛蓼和水蓼氮素代谢关键酶活性的变化，显著降低了水蓼叶片 NR、短毛蓼叶片 GS 活性(p ＜ 0． 05) ;在 Mn 处理浓度为 1
mmol·L －1时，短毛蓼叶片 NR活性最高，为对照的 1． 91 倍，而 2、4、8 mmol·L －1 Mn 处理显著降低了短毛蓼和水蓼 GOGAT 活性(p ＜ 0． 05)． 另
外，Mn处理显著提高了短毛蓼和水蓼叶片 GDH活性(p ＜ 0． 05) ，在 Mn处理浓度为 8 mmol·L －1时，短毛蓼、水蓼叶片 GDH活性分别为对照的
16． 29 倍和 1． 29 倍．
关键词:Mn;短毛蓼;水蓼;氮素代谢
文章编号:0253-2468(2011)08-1783-07 中图分类号:X171． 5 文献标识码:A
Effects of manganese on the growth and nitrogen metabolism in hyper-
accumulators Polygonum pubescens blume and Polygonum hydropiper L．
YU Fangming1，3，LI Yan1，LIU Kehui2，* ，LI Mingshun1，3，DENG Hua1，3，YANG Donglin4，ZHOU Zhenming1，3
1． College of Environment and Resource，Guangxi Normal University，Guilin 541004
2． College of Life and Environmental Science，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004
3． Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering，Protection and Assessment，Guilin 541004
4． School of Life Science，Guangxi Normal University，Guilin 541004
Received 9 November 2010; received in revised form 18 January 2011; accepted 27 January 2011
Abstract:Hydroponic culture was conducted to investigate the effects of Mn on the growth，metal accumulation and nitrogen metabolism in hyper-
accumulating plants Polygonum pubescens Blume and Polygonum hydropiper L． ． The enzymatic activities of nitrogen metabolism were determined including
nitrate reducatse (NR) ，glutamine synthelase (GS) ，glutamate synthase (GOGAT) ，glutamate dehydrogenase (GDH)as well as the nitrate nitrogen，
DOI:10.13671/j.hjkxxb.2011.08.006
环 境 科 学 学 报 31 卷
ammonium nitrogen，and free and soluble prolines． The results indicated that the Mn contents rose significantly (p ＜ 0． 05)in the tissues of both plants
with the increased concentrations of Mn treatment． However，Mn levels in P． pubescens were always higher than those in the same tissue in P． hydropiper
L． under the same Mn treatment． The plant height and dry weight of P． pubescens were not affected significantly when exposed to Mn concentrations lower
than 1 mmol·L －1，but significant changes were found for P． hydropiper，indicating that P． pubescens is more Mn-tolerant． Compare to the control，the
contents of nitrate nitrogen in P． pubescens decreased significantly (p ＜ 0． 05) ，while the contents of soluble protein increased． The contents of nitrate
nitrogen and ammonium nitrogen as well as soluble protein in P． hydropiper L． increased significantly in the treatment of 8 mmol·L －1 Mn． The contents of
free proline in both plants increased compared with those of the control，indicating that free proline played an important role in detoxifying Mn． Both
activities of NR in P． hydropiper and GS in P． pubescens declined significantly (p ＜ 0． 05)due to the Mn treatment． The activity of NR reached maximum
in P． hydropiper at 1 mmol·L －1 Mn treatment． The activities of GOGAT in both plant tissues decreased significantly (p ＜ 0． 05)with the Mn
concentrations from 2 to 8 mmol·L －1 ． At 8 mmol·L －1 treatment，the GDH activities in both plant leaves(p ＜ 0． 05)were 16． 29 and 1． 29 times of those
under control，respectively．
Keywords:manganese;Polygonum pubescens Blume;Polygonum hydropiper L．;nitrogen metabolism
1 引言(Introduction)
Mn 是人类和动植物必须的微量元素之一，过
量的 Mn 可以通过食物链进入人体并引起中毒，最
主要的症状为类帕金森氏综合症和中毒性精神病
(Erikson，2003)．自 20 世纪 90 年代后期，利用超富
集植物去除土壤中的重金属被誉为最有前途的污
染修复方法(周启星等，2004)．目前，全世界已经发
现的重金属超富集植物有 500 多种，其中有 360 多
种是 Ni 超富集植物(赵磊等，2009) ，国内发现的
Mn超富集植物有商陆(Phytolacca vacinosa Roxb．)
(薛生国等，2004)、水蓼(Polygonum hydropiper L．)
(王华等，2007)、木荷 (Schima superba) (Yang
et al．，2008)和短毛蓼(Polygonum pubescens Blume)
(邓华等，2009)．与普通植物相比，超富集植物以其
对重金属的超常耐性及富集能力而备受关注，但目
前对超富集植物的研究主要集中在超富集植物的
发现及其对重金属的富集、解毒机理上，而对超富
集植物生理代谢的研究主要集中在抗氧化系统方
面，目前对超富集植物的氮素代谢也越来越引起人
们的关注． Singh 等(2009)在对 As 超富集植物蜈蚣
草和非 As超富集植物凤尾蕨的对比研究中发现，在
同一浓度下凤尾蕨中硝酸还原酶和亚硝酸还原酶
的活性较蜈蚣草下降很多，说明超富集植物在耐受
重金属的过程中，氮素代谢起重要作用．
氮素代谢会影响植物的代谢、资源分配及生长
和发育(Scheible et al．，2004)．目前，有关 Cd 对超
富集植物氮素代谢机理的影响研究已有报道(于方
明等，2008) ，但对 Mn 超富集植物氮素代谢的研究
还属空白． 短毛蓼作为一种新发现的 Mn 超富集植
物，到目前为止仅限于对重金属的富集特征(邓华
等，2010a)和重金属在植物体中分布特征的研究报
道(邓华等，2010b)． 因此，本研究选择同属于蓼科
的两种 Mn 超富集植物短毛蓼和水蓼，采用水培的
方式，研究两种超富集植物对 Mn 吸收、生长的影
响，以及不同浓度 Mn 对两种超富集植物叶片中铵
态氮、硝态氮、游离脯氨酸、可溶性蛋白质含量和氮
素代谢关键酶:硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶
(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶
(GDH)活性的影响，旨在探讨 Mn 对同科超富集植
物短毛蓼和水蓼氮素代谢的迥异，为深入了解两种
植物对 Mn的解毒机理及超富集的生理机制研究提
供理论依据．
2 材料和方法(Materials and methods)
2． 1 植物培养
供试 Mn超富集植物短毛蓼幼苗采自广西全州
锰矿区，水蓼幼苗采自桂林市漓江边． 将所采集的
短毛蓼和水蓼幼苗用自来水冲洗干净后采用 1 /2
Hoagland 营养液进行预培养，Hoagland 营养液组成
为:Ca(NO3)2·4H2 O 2． 0 mmol·L
－1，KH2 PO4 0． 10
mmol·L －1，MgSO4·7H2 O 0． 50 mmol·L
－1，KCl 0． 10
mmol·L －1，K2 SO4 0． 70 mmol·L
－1，H3 BO3 10． 00
μmol·L －1，MnSO4·H2O 0． 50 μmol·L
－1，ZnSO4·7H2O
0． 50 μmol·L －1，CuSO4·5H2 O 0． 20 μmol·L
－1，
(NH4)6 Mo7 O24 0． 01 μmol·L
－1，Fe-EDTA 100
μmol·L －1 ．幼苗生长至一定高度后截取上端 5 cm长
的带叶枝条进行第 2 次预培养，待枝条长出比较旺
盛的根系后，选取生长一致的植株，移至装有 1 /2
Hoagland营养液的黑色塑料盆(34 cm × 22 cm × 11
cm，长 ×宽 ×高)中，然后加 Mn 处理，每盆种 3 株，
培养溶液体积为 4 L． 共设置 6 个 Mn 处理浓度:
0. 0003(CK)、0． 5、1、2、4、8 mmol·L －1 ． Mn 以
MnSO4·H2O的形式加入到 1 /2 Hoagland 营养液中，
每个处理设 3 个重复，营养液保持 24 h 连续通气，
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8 期 于方明等:Mn对超富集植物短毛蓼和水蓼生长、Mn吸收及氮素代谢的影响
每 3 d更换 1 次，并用 0． 1 mmol·L －1 HCl 或 NaOH
调节 pH 至 5． 7 左右，培养室温度为 20 ～ 26 ℃，相
对湿度为 60% ～70%，光照 14 h，处理 8 d后收获．
2． 2 试验方法
2． 2． 1 生物量测定 将植株样品用自来水冲洗干
净，然后将根浸入 20 mmol·L －1的 EDTA-Na 溶液中
交换 20 min，以去除根系表面吸附的 Mn2 +，最后用
去离子水洗净，吸水纸吸干表面水分，用卷尺分别
测量株高和根长并称鲜重． 随后将植物样品的根和
叶片分为两部分，其中一部分装入封口密封带，放
入 － 20 ℃冰箱保存备用;另一部分植物样品的根和
叶片连同植物的茎一起放至烘箱内，在 105 ℃下杀
青 30 min，然后在 70 ℃下烘 48 h至恒重，用不锈钢
粉碎机磨碎，过 60 目尼龙网筛用于 Mn含量测定．
2． 2． 2 酶的提取与活性测定 硝酸还原酶、谷氨酰
胺合成酶、谷氨酸脱氢酶的提取与活性测定参照中
国科学院上海植物生理研究所《现代植物生理学实
验指南》(1999)的方法． 硝酸还原酶以 1 h 内还原
KNO3生成 NO
－
2 的 μg数表示酶活性，谷氨酰胺合成
酶活性以 1 h内形成 1 μmol γ-谷氨酰基羟肟酸的酶
量作为 1 个酶活性单位，谷氨酸脱氢酶活性以
NADH μmol·min －1·g －1蛋白质表示． 谷氨酸合酶的
提取与测定参照 Sánchez 等(2004)的方法，以每分
钟反应液减少 1 μmol 的 NADH 所需的酶量定义为
1 个酶活性单位．
以上酶的提取和测定均在 0 ～ 4 ℃条件下完成，
每个处理 3 次重复．
2． 2． 3 硝态氮、铵态氮、可溶性蛋白质和游离脯氨
酸含量测定 可溶性蛋白质的含量参照 Bradford
(1976)的方法测定，使用牛血清蛋白制作标准曲
线．铵态氮、硝态氮和游离脯氨酸含量的测定参照
李合生等(2000)的方法．
2． 2． 4 Mn含量测定 称取 0． 250 g 烘干且磨碎的
短毛蓼和水蓼样品于 100 mL 三角瓶中，加入 HNO3-
HClO4(两者体积比为 3∶1) ，消煮至澄清，用去离子
水定容后采用原子吸收分光光度计(日立 180-80
型)测定各植物样品中的 Mn含量．
以上所有测定重复 3 次，所得数据用 SPSS 13． 0
软件处理，应用 Duncan新复极差法进行差异显著性
检验．
3 结果(Results)
3． 1 不同 Mn水平对短毛蓼和水蓼生长的影响
不同 Mn处理水平对短毛蓼和水蓼的生长影响
明显，从表 1 中可以看出，随着 Mn 处理浓度的增
加，短毛蓼和水蓼的株高、株重和根长都呈明显的
下降趋势．在 Mn 处理浓度小于 1 mmol·L －1时，Mn
对短毛蓼的株高、株重影响不显著(p ＞ 0． 05) ，2 ～ 8
mmol·L －1 Mn处理显著降低了短毛蓼的株高、株重
和根长(p ＜ 0． 05) ;0． 5 ～ 8 mmol·L －1 Mn 处理显著
降低了水蓼的株高、株重和根长(p ＜ 0． 05) ，表明短
毛蓼比水蓼更耐 Mn污染．
表 1 Mn对短毛蓼和水蓼生长的影响
Table 1 Effects of Mn on the growth of Polygonum pubescens and Polygonum hydropiper
Mn浓度
/(mmol·L －1)
株高 / cm
短毛蓼 水蓼
株重 / g
短毛蓼 水蓼
根长 / cm
短毛蓼 水蓼
0． 0003 11． 1 ± 1． 0a 17． 5 ± 0． 3a 2． 6 ± 0． 2a 3． 8 ± 0． 2a 36． 3 ± 4． 1a 37． 3 ± 1． 0a
0． 5 10． 8 ± 2． 1a 16． 5 ± 0． 4b 2． 4 ± 1． 0ab 3． 3 ± 0． 2b 35． 1 ± 4． 1ab 27． 7 ± 1． 0b
1 10． 6 ± 1． 9a 15． 5 ± 0． 4c 2． 3 ± 1． 1ab 3． 0 ± 0． 1c 29． 4 ± 7． 1bc 24． 3 ± 1． 3c
2 8． 9 ± 0． 9b 14． 6 ± 0． 3d 1． 7 ± 0． 4bc 2． 3 ± 0． 2d 28． 5 ± 4． 5c 22． 8 ± 0． 4c
4 8． 5 ± 1． 2b 13． 6 ± 0． 3e 1． 5 ± 0． 2c 1． 7 ± 0． 1e 26． 2 ± 5． 4c 19． 3 ± 0． 7d
8 8． 3 ± 0． 3b 11． 8 ± 0． 3f 1． 4 ± 0． 3c 1． 0 ± 0． 1f 23． 8 ± 4． 6c 16． 4 ± 0． 9e
注:表中同列的不同字母表示在 5%水平差异显著，下同;株高、株重(以鲜重计)和根长为各处理的平均值．
3． 2 不同 Mn水平对短毛蓼和水蓼 Mn含量的影响
短毛蓼和水蓼根、茎、叶中的 Mn 含量如表 2 所
示．从表 2 中可以看出，随着 Mn 处理浓度的增加，
短毛蓼和水蓼根、茎、叶中 Mn 含量显著增加(p ＜
0. 05) ，在 8 mmol·L －1 Mn 处理下均达到最大值，且
各部位 Mn含量为:叶 ＞茎 ＞根，并且在所有 Mn 处
理浓度下，短毛蓼和水蓼地上部分的 Mn 含量都比
根部高，从侧面证明了这两种植物都属于 Mn 超富
集植物．在 Mn浓度为 4 mmol·L －1的处理下，短毛蓼
茎、叶的 Mn含量与根 Mn含量的比值分别达到最大
值，而水蓼在 2 mmol·L －1Mn处理下，茎、叶的 Mn含
量与根 Mn 含量的比值分别达到最大值． 同时在相
同 Mn处理浓度下，短毛蓼各部位中的 Mn含量均大
于水蓼同部位中的 Mn 含量，表明短毛蓼比水蓼更
5871
环 境 科 学 学 报 31 卷
耐 Mn污染．
表 2 Mn对短毛蓼和水蓼植物体Mn含量的影响
Table 2 Effects of Mn on the concentrations of Mn in P． pubescens and P． hydropiper
Mn浓度
/(mmol·L －1)
根中 Mn含量 /(mg·kg － 1)
短毛蓼 水蓼
茎中 Mn含量 /(mg·kg － 1)
短毛蓼 水蓼
叶中 Mn含量 /(mg·kg － 1)
短毛蓼 水蓼
Mn含量比
值(茎 /根)
短毛蓼水蓼
Mn含量比
值(叶 /根)
短毛蓼 水蓼
0． 0003 33． 2 ± 2． 7e 52． 1 ± 10． 8e 54． 4 ± 9． 2e 41． 5 ± 14． 4e 300． 3 ± 76． 4d 72． 7 ± 17． 7d 1． 6 0． 8 9． 0 1． 4
0． 5 1566． 1 ± 164． 1d 924． 8 ± 31． 1d 4796． 1 ± 541． 7d 5343． 3 ± 546． 6d 23521． 8 ± 3919． 7c 19542． 1 ± 1195． 3c 3． 1 5． 8 15． 0 21． 1
1 1906． 5 ± 94． 1c 833． 1 ± 35． 2d 7139． 2 ± 629． 5c 6073． 9 ± 259． 3cd 30974． 2 ± 1725． 3b 30462． 8 ± 2412． 5b 3． 7 7． 3 16． 2 36． 6
2 2174． 2 ± 44． 1b 1522． 5 ± 41． 4c 9710． 5 ± 1291． 3b 7927． 5 ± 931． 3c 35690． 3 ± 3620． 9b 30244． 7 ± 1178． 2b 4． 5 5． 2 16． 4 19． 9
4 1932． 7 ± 70． 7c 2699． 6 ± 153． 8b 11922． 6 ± 1435． 6b 12622． 4 ± 1939． 3b 46903． 1 ± 3120． 6a 37490． 5 ± 2495． 2a 6． 2 4． 7 24． 3 13． 9
8 3637． 6 ± 123． 1a4364． 1 ± 342． 1a 18066． 7 ± 2380． 1a 18273． 2 ± 1468． 7a 44175． 9 ± 2993． 6a 34794． 4 ± 1006． 1a 5． 0 4． 2 12． 1 8． 0
3． 3 Mn 对短毛蓼和水蓼叶片中硝态氮、铵态氮、
游离脯氨酸、可溶性蛋白质含量的影响
从表 3 中可以看出，Mn处理显著降低了短毛蓼
叶片硝态氮含量(p ＜ 0． 05) ，而 2 ～ 8 mmol·L －1 Mn
处理则显著提高了水蓼叶片硝态氮含量，在 Mn 浓
度为 8 mmol·L －1时，短毛蓼叶片硝态氮含量仅为对
照的 37%，而水蓼则比对照提高了 189% ． Mn 处理
的短毛蓼叶片铵态氮的变化趋势与水蓼叶片中硝
态氮的变化相似，但却提高了水蓼叶片铵态氮含
量，除 1 mmol·L －1Mn 处理与对照间差异不显著之
外，其余处理均显著高于对照(p ＜ 0． 05)． Mn 处理
显著提高了短毛蓼叶片可溶性蛋白质含量，除 0． 5
mmol·L －1Mn处理使水蓼叶片可溶性蛋白质含量显
著高于对照外，2 ～ 8 mmol·L －1Mn 处理则显著降低
了水蓼叶片可溶性蛋白质含量(p ＜ 0． 05)． 4、8
mmol·L －1 Mn处理显著提高了短毛蓼和水蓼叶片游
离脯氨酸含量，在 Mn浓度为 8 mmol·L －1时，短毛蓼
和水蓼叶片中游离脯氨酸的含量分别为对照的
1. 18 倍和 1． 68 倍．
表 3 Mn对短毛蓼和水蓼叶片中硝态氮、铵态氮、游离脯氨酸和可溶性蛋白质的影响
Table 3 Effects of Mn on contents of nitrate，ammonium，free and soluble proteins in leaves of P． pubescens and P． hydropiper
Mn浓度
/(mmol·L －1)
硝态氮 /(mg·g － 1)
短毛蓼 水蓼
铵态氮 /(μg·g － 1)
短毛蓼 水蓼
可溶性蛋白质 /(mg·g － 1)
短毛蓼 水蓼
游离脯氨酸 /(μg·g － 1)
短毛蓼 水蓼
0． 0003 10． 7 ± 0． 4a 5． 4 ± 0． 3d 348． 3 ± 1． 0d 536． 1 ± 18． 9e 20． 1 ± 0． 5d 43． 1 ± 0． 6b 16． 7 ± 0． 3bc 18． 3 ± 0． 4d
0． 5 5． 1 ± 0． 9cd 4． 2 ± 0． 1e 298． 8 ± 9． 5e 748． 9 ± 16． 6d 38． 8 ± 1． 5c 49． 9 ± 0． 6a 15． 4 ± 1． 1c 15． 5 ± 0． 4e
1 7． 8 ± 0． 7b 4． 7 ± 0． 1e 198． 7 ± 0． 1f 559． 5 ± 32． 9e 49． 4 ± 2． 1b 43． 2 ± 1． 3b 16． 0 ± 0． 7bc 18． 2 ± 0． 1d
2 8． 3 ± 0． 9b 6． 4 ± 0． 3c 672． 8 ± 3． 1c 874． 1 ± 25． 3c 55． 5 ± 2． 0a 40． 4 ± 0． 8c 16． 5 ± 0． 4bc 20． 3 ± 0． 4c
4 5． 4 ± 0． 4c 10． 4 ± 0． 1b 727． 1 ± 2． 6b 921． 8 ± 12． 0b 50． 8 ± 0． 8b 39． 1 ± 0． 6c 17． 0 ± 0． 4b 23． 4 ± 0． 1b
8 4． 0 ± 0． 6d 15． 7 ± 0． 6a 1342． 8 ± 13． 8a 1033． 6 ± 30． 4a 50． 0 ± 0． 4b 37． 4 ± 0． 9d 19． 7 ± 0． 8a 30． 8 ± 0． 6a
3． 4 Mn对短毛蓼和水蓼叶片中 NR、GS、GOGAT、
GDH酶活性的影响
从表 4 中可以看出，短毛蓼叶片中 NR 的活性
呈现先上升后下降的变化趋势．在 Mn处理浓度为 1
mmol·L －1时，短毛蓼叶片中 NR活性达到最高，为对
照的 1． 91 倍． Mn 处理显著降低了水蓼叶片中 NR
的活性(p ＜ 0． 05) ，在 Mn 处理浓度为 2 mmol·L －1
时，水蓼叶片 NR活性最低，仅为对照的 0． 35 倍;GS
是植物 NH4
+同化的主要酶，短毛蓼叶片 GS 活性在
Mn处理下显著降低(p ＜ 0． 05) ，水蓼叶片 GS 活性
在 Mn浓度为 0． 5 ～ 2 mmol·L －1时显著低于对照，而
4 mmol·L －1和 8 mmol·L －1的 Mn 处理使水蓼叶片
GS活性显著高于对照(p ＜ 0． 05)． 0． 5、1 mmol·L －1
Mn处理对短毛蓼和水蓼叶片中 GOGAT 活性无显
著性影响(p ＞ 0． 05) ，而 2、4、8 mmol·L －1的Mn处理
显著降低了短毛蓼和水蓼 GOGAT活性(p ＜ 0． 05)．
除此以外，Mn 处理也显著提高了短毛蓼和水蓼叶
片 GDH 活性(p ＜ 0． 05) ，在 Mn 处理浓度为 8
mmol·L －1时，短毛蓼和水蓼叶片 GDH 活性分别为
对照的 16． 29 倍和 1． 29 倍．
6871
8 期 于方明等:Mn对超富集植物短毛蓼和水蓼生长、Mn吸收及氮素代谢的影响
表 4 Mn对短毛蓼和水蓼叶片中 NR、GS、GOGAT、GDH酶活性的影响
Table 4 Effects of Mn on activities of NR，GS，GOGAT and GDH in leaves of P． pubescens and P． hydropiper
Mn浓度
/(mmol·L －1)
NR活性
/(μg·g － 1·h －1)
短毛蓼 水蓼
GS活性
/(μmol·g － 1·h －1)
短毛蓼 水蓼
GOGAT活性
/(μmol·g － 1·min －1)
短毛蓼 水蓼
GDH活性
/(μmol·g － 1·min －1)
短毛蓼 水蓼
0． 0003 31． 5 ± 1． 2d 89． 7 ± 0． 3a 80． 4 ± 1． 0a 68． 0 ± 1． 1b 2． 5 ± 0． 2a 3． 4 ± 0． 3a 1． 7 ± 0． 2e 6． 7 ± 0． 7e
0． 5 27． 1 ± 0． 7e 67． 3 ± 2． 3c 65． 0 ± 1． 7d 63． 6 ± 1． 1c 2． 3 ± 0． 1a 3． 2 ± 0． 2a 3． 0 ± 0． 7e 10． 8 ± 0． 2c
1 60． 1 ± 1． 1a 44． 1 ± 1． 8e 74． 0 ± 0． 8b 64． 6 ± 0． 1c 2． 4 ± 0． 1a 3． 4 ± 0． 1a 8． 8 ± 1． 1d 11． 0 ± 0． 9c
2 57． 3 ± 1． 2b 31． 2 ± 1． 4f 73． 9 ± 0． 8b 63． 5 ± 0． 6c 2． 0 ± 0． 1b 2． 8 ± 0． 1b 18． 1 ± 1． 4c 20． 7 ± 1． 3a
4 47． 8 ± 1． 7c 47． 0 ± 0． 9d 69． 5 ± 0． 2c 73． 8 ± 0． 8a 1． 9 ± 0． 1b 2． 5 ± 0． 1b 23． 3 ± 1． 3b 17． 2 ± 0． 8b
8 33． 3 ± 0． 7d 85． 5 ± 1． 5b 65． 8 ± 0． 8d 74． 2 ± 0． 5a 1． 9 ± 0． 1b 1． 9 ± 0． 1c 28． 3 ± 1． 3a 8． 6 ± 0． 3d
4 讨论(Discussion)
在一定金属浓度处理下，超富集植物将表现出
对特定金属的超常耐性． 本实验研究结果表明，在
Mn处理浓度小于 1 mmol·L －1时，对短毛蓼的株高、
株重影响不明显，但对水蓼的影响显著(p ＜ 0． 05) ;
随着 Mn 处理浓度的增加，短毛蓼和水蓼根、茎、叶
中 Mn含量显著增加(p ＜ 0． 05) ，但在相同 Mn 处理
浓度下短毛蓼中的 Mn含量均大于水蓼相同部位的
Mn含量，表明短毛蓼对 Mn 的吸收、转运效果比水
蓼更好，比水蓼更耐 Mn污染．
在农业生产活动中，NO －3 是植物生长较为重要
的 N源，在植物细胞中，NR 可以催化 NO －3 还原为
NO －2 ．本研究结果表明，Mn 处理降低了短毛蓼叶片
硝态氮含量，而 2 ～ 8 mmol·L －1的 Mn处理则显著提
高了水蓼叶片硝态氮含量(p ＜ 0． 05)． 研究表明，
NO －3 含量降低可能是因为 Mn诱导抑制了植物根部
对硝酸盐的吸收，干扰了 NO －3 在木质部运输的结
果．短毛蓼 NO －3 的吸收量从对照的 27． 82 mg·株
－ 1
降低到 8 mmol·L －1 Mn处理下的 5． 6 mg·株 － 1，表明
Mn 处理显著降低了短毛蓼 NO －3 的吸收(p ＜
0. 05) ，短毛蓼 NO －3 含量的降低是因为 Mn 的吸收
抑制了 NO －3 的吸收． 0． 5 ～ 8 mmol·L
－1 Mn 处理的
水蓼 NO －3 的吸收量分别为 13． 9、14． 1、14． 7、17． 7 、
15． 7 mg·株 － 1，表明 Mn 对水蓼 NO －3 的吸收影响不
明显，而造成水蓼 NO －3 累积的主要原因可能是 Mn
影响了 NO －3 的分配． GS /GOGAT 循环和 GDH 更替
途径在植物NH +4 的转化过程中起着重要作用，本研
究结果表明，0． 5、1 mmol·L －1 Mn 显著降低了短毛
蓼叶片NH +4 的含量，但 2 ～ 8 mmol·L
－1 Mn则显著增
加了短毛蓼和水蓼叶片NH +4 含量(p ＜ 0． 05) ，NH
+
4
含量增加可能是 GS 和 GOGAT 活性受到抑制造成
的，因为在本研究中 2、4、8 mmol·L －1 Mn 处理显著
降低了短毛蓼和水蓼叶片 GOGAT 活性(p ＜ 0. 05)
及短毛蓼叶片 GS 活性． GS 和 GOGAT 活性的降低
将影响植物正常的 GS /GOGAT循环，导致NH +4 的累
积．另外，植物的直接吸收、硝酸盐的还原、光呼吸
作用、可溶性有机 N的分解代谢及 N化合物的储存
都能给植物提供大量的 NH +4 ，造成 NH
+
4 的累积
(Feng et al．，1998) ，其中，究竟哪种途径对NH +4 的
累积贡献率最大，还有待进一步研究． 植物体累积
大量的NH +4 后，高浓度的内源NH
+
4 将对植物产生毒
害作用，植物可以通过 GDH 更替途径来缓解铵毒．
尽管 GDH在植物体中并不是氨同化的主要酶类，但
在逆境条件下，GDH可以在缓解铵毒和补充谷氨酸
库中起着重要的作用，这在很多植物中得到证实
(Balestrasse et al．，2006;Ruiz et al．，2007;于方明
等，2008;Ewa et al．，2009)． 本实验研究结果表明，
Mn处理显著提高了短毛蓼和水蓼叶片 GDH 活性
(p ＜ 0． 05) ，同时也证明了 GDH 在解NH +4 毒害的过
程中起着重要作用．
植物体中游离脯氨酸的含量也是衡量植物受
外界毒害的一个指标，它对植物细胞能够起到渗透
保护的作用(Gajewska et al．，2008) ，同时脯氨酸的
累积还可以缓解铵毒(于方明等，2008)． 本实验研
究结果表明，Mn 对短毛蓼叶片游离脯氨酸的影响
不大，但显著影响了水蓼叶片游离脯氨酸含量(p ＜
0． 05) ，且水蓼叶片游离脯氨酸含量与铵态氮含量
间呈显著正相关(p ＜ 0． 05) (r = 0． 76，n = 18) ，表明
游离脯氨酸在解铵毒的过程中起到重要作用． 另
外，本研究中短毛蓼和水蓼叶片可溶性蛋白质含量
呈现先上升后下降的趋势，植物体中可溶性蛋白质
含量的增加，可能与植物细胞中核酸量的增加，从
而导致新的蛋白质合成有关． Wang 等(2003)研究
声波对菊花核酸和蛋白质合成的影响发现，外界胁
迫下植物基因的转录水平会增加，导致 mRNA 含量
7871
环 境 科 学 学 报 31 卷
的增加并且生成更多的蛋白质．
5 结论(Conclusions)
1)在Mn处理浓度小于 1 mmol·L －1时，Mn对短
毛蓼的株高、株重影响不明显，但显著降低了水蓼
的株高、株重(p ＜ 0． 05)．同时，随着 Mn 处理浓度的
增加，短毛蓼和水蓼根、茎、叶中 Mn 含量显著增加
(p ＜ 0． 05) ，但在相同 Mn处理浓度下短毛蓼各部位
中的 Mn含量均大于水蓼同部位中的 Mn含量，表明
短毛蓼比水蓼更耐锰污染，对锰的吸收更佳．
2)2 ～ 8 mmol·L －1的 Mn 处理显著提高了水蓼
叶片硝态氮含量及短毛蓼和水蓼叶片铵态氮的含
量(p ＜ 0． 05) ，不利于水蓼叶片中硝态氮、铵态氮及
短毛蓼铵态氮的同化，但短毛蓼和水蓼可以通过提
高 GDH活性和游离脯氨酸含量来缓解铵的毒害．
3)Mn 处理降低了水蓼叶片 NR 活性，2、4、8
mmol·L －1 Mn 处理显著降低了短毛蓼和水蓼
GOGAT活性(p ＜ 0． 05)及短毛蓼 GS 活性，表明 Mn
对短毛蓼和水蓼的 GS /GOGAT途径影响最明显．
责任作者简介:刘可慧(1976—)，博士，副教授，硕士研究生
导师，主要从事污染生态学方面的研究． E-mail:coffeeleave
@ 126． com．
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