全 文 ：超积累植物水蓼吸收锰的生理与分子机制
?
王 华1 ,2 , 唐树梅1
??
, 廖香俊3 , 曹启民4
(1 海南大学农学院 , 海南 儋州 571737 ; 2 中国热带农业科学院香料饮料研究所 , 海南 万宁 571533;
3 海南省地质勘查局 , 海南 海口 570100 ; 4 中山大学环境科学与工程学院 , 广东 广州 510275)
摘要 : 水蓼 ( Polygonumhydropiper) 是一种新近发现的锰超积累植物。本文通过营养液模拟试验 , 研究了
锰在水蓼细胞中的分布与化学形态特征 , 以及锰胁迫下水蓼的生理生化响应机制。结果表明 : 锰在水蓼叶
片非活性代谢部分 (细胞壁和液泡 ) 的积累是其解毒耐锰的主要机制之一 ; 水蓼叶片中的锰大部分以水溶
性有机盐或草酸锰的形态存在 ; 在锰浓度处理为 8 000μmol?L 时 , 叶绿素 a含量显著降低 , 而在其它处理
条件下 , 叶绿素 a无明显变化 ; 在锰处理≤5 000μmol?L 时水蓼叶片的细胞膜还没有受到明显伤害 ; 水蓼叶
片的可溶性蛋白含量随锰处理浓度不同而变化 , 说明植物在代谢和结构上发生了调整 ; 随锰处理浓度的增
加 , 水蓼叶片 SOD和 POD活性提高 , 保护酶活性的提高又可清除活性氧自由基 , 这是水蓼耐高锰和累积
锰的一种生理响应机制。
关键词 : 水蓼 ; 锰 ; 超积累 ; 分布 ; 形态 ; 生理响应
中图分类号 : Q 945 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2008) 04 - 489 - 07
Physiological and Molecular Mechanisms of Mn Uptake by Hypera-
ccumulting Plant Polygonum hydropiper (Polygonaceae)
WANG Hua
1 , 2
, TANG Shu-Mei
1 * *
, LIAO Xiang-Jun
3
, CAO Qi-Min
4
(1 Collegeof Agronomy, Hainan University, Danzhou 571737 , China; 2 Instituteof Spiceand Beverage Research, Chinese Academy of
Tropical Agricultural Sciences, Wanning 571533 , China; 3 Bureau of Geological Exploration of Hainan Province, Haikou 570100 ,
China; 4 Shool of Environmental Scienceand Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275 , China)
Abstract: Polygonumhydropiper was a new hyper-accumulated Mn plant . The experiments were carried out in order to
find out subcellular distribution characteristics and chemical pattern of Mn in cell and the physiological and biochemical
mechanisms of Polygonumhydropiper respondingtoMn stress . The results indicated that theaccumulationof Mn in thecell
wall (accumulation rate as high as 36 .34 % ) and the vacuoleof the leaves (accumulation rateas high as 65 .64% ) might
be oneof themechanisms of tolerance and hyperaccumulation of Polygonumhydropiper toMn . Most Mn in leaveswerethe
speciation of H2 O-solubilityorganicsalts or manganeseoxalates . Thecontent of chlorophyll a didnot changeunder different
Mn concentration treatmentsexcept that itscontent decreased remarkably when Mn concentrationwas 8 000μmol?L in solut-
ions . Themembraneswere not harmed by Mn when its concentrationwasless than 5 000μmol?L in solutions; Under differ-
ent Mn concentrations of Mn, thecontent of their solubleproteins of leaves hadchangedat somestage . Theactivity of SOD
and PODweregradually improved with the increasingof Mn concentration, which couldeliminateactivated oxygen free rad-
ical, This might be the other physiological mechanism of tolerance and hyperaccumulation of Polygonum hydropiper re-
sponding to Mn .
Key words: Polygonumhydropiper; Mn; Hyperaccumulation; Distribution; Speciation; Physiological response
云 南 植 物 研 究 2008 , 30 (4) : 489～495
Acta Botanica Yunnanica DOI : 10 .3724?SP. J . 1143 .2008.07265
?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence; E-mail : tsm317@163 . com; Tel : 0898 - 23300492
收稿日期 : 2007 - 11 - 08 , 2008 - 01 - 23 接受发表
作者简介 : 王华 ( 1983 - ) 女 , 硕士 , 研究实习员 , 主要从事重金属污染环境的植物修复工作。 ?
基金项目 : 国家科技部科技基础性工作和社会公益研究专项 ( No . 2004DIB3J073)
植物修复 ( Phytoremediation) 是近年来受到
关注的高效、廉价的原位绿色修复技术 , 是解决
环境中重金属污染问题很有前途的方法 , 而超积
累植物 ( Hyperaccumulator) 研究则是植物修复技
术的核心问题。目前 , 国际上报道的超积累植物
已有 480 多种 , 且大部分为 Ni 超积累植物 , 其
中锰超积累植物相对较少 , 仅有 14 种。有关超
积累植物吸收重金属的生理与分子机制的研究除
了在 Ni 和 Zn超积累植物的生理机制研究有所突
破外 , 对其它重金属元素和植物种类的研究尚无
较大进展。
水蓼 ( Polygonumhydropiper L .) 是新近发现
的一种 Mn超积累植物 , 对 Mn 具有很强的富集
能力 ( 王华等 , 2007 )。营养液培养试验结果表
明 , 当营养液中锰的浓度为 5 000μmol?L 时 , 水
蓼叶锰含量为 10 648 .73 mg?kg, 地上部富集系数
高达 19 .41 , 且植株生长正常 ( 王华等 , 2007 )。
水蓼的发现为 Mn污染土壤和水体的植物修复提
供了一种新的材料 , 而对水蓼超积累及耐性的研
究则是植物修复技术走向实用化的基础 , 因此 ,
对水蓼超积累的生理生化和分子机制的研究对于
推动 Mn污染环境的植物修复研究具有重要意义。
超积累植物在体内积累大量的重金属而不产
生毒害现象 , 这是因为其自身存在一定的解毒机
制 , 即重金属在植物体内以不具生物活性的解毒
形式存在。如离子主动运输进入液泡 , 与有机酸
或某些蛋白质的结合等 , 同时也可能是植物具有
保护酶活性的机制 , 即使在高浓度重金属状况下
仍能维持正常的代谢过程。本研究采用营养液培
养的方法 , 研究了锰在水蓼细胞水平的分布和水
蓼体内锰的主要存在形态 , 同时从生理响应的角
度探讨了水蓼超积累锰的机理 , 试图为揭示超积
累植物的超积累机制提供一定的理论基础。
1 材料与方法
1 .1 植物材料处理
1 .1 .1 营养液培养法 供试植物 : 水蓼 (采自于昌江石
碌铁矿废弃堆积地 )。
植物预培养 : 将植物材料用去离子水冲洗干净 , 剪
成大小一致枝条 , 进行预培养 , 每 4 天更换一次营养液
(Hoagland营养液配方 ) , 每天用 0.1 mol?L NaOH 或 0 .1
mol?L HCl 调节营养液 pH 至 5 .8 , 保持 24 小时通气。为
充分消除植株内锰的本底 , 待植株长到 20 cm高时 , 截
取上端 5 cm长的带叶枝条进行第 2 次预培养 , 在枝条长
出比较旺盛的根系之后 , 取生长一致的植株称取鲜重并
开始锰处理。
1 .1 .2 锰在水蓼细胞中分布与化学形态的研究试验 设
定 4 个处理 , 锰的浓度分别为 9.1 ( CK )、500、2 000、
5 000μmol?L。锰以 MnSO4·H2 O 形态加入 , 每个处理设 3
个重复 , 每天用 0.1 mol?L NaOH 或 0.1 mol?L HCl 调 pH值至
5.8, 以维持生长介质中较高的 Mn2+ 浓度 , 保持连续通气 ,
每 4 d更换一次营养液 , 并保持体积不变 , 30 d后收获。
1 .1 .3 水蓼对锰毒害的生理生化响应机制试验 设定 5
个处理 , 锰的浓度分别为 9 .1 ( CK )、500、2 000、5 000、
8 000μmol?L。锰以 MnSO4·H2 O形态加入 , 每个处理设 3
个重复 , 每天用 0 .1 mol?L NaOH 或 0 .1 mol?L HCl 调 pH 值
至 5 .8 , 以维持生长介质中较高的 Mn2 + 浓度 , 保持连续
通气 , 每 4 d更换一次营养液 , 并保持体积不变 , 在处
理 30 d后采摘叶片进行分析。
1 .2 测定方法
细胞各部分的分离及锰含量测定按 Weigel and Jager
(1980) 与 Gabbrielli ( 1990) 的方法操作 ;
植物体内锰的化学形态分析采用许嘉琳 (1991) 与
杨居荣等 (1995) 的方法操作 ;
叶绿素的测定参照 Cho and Park (1999) 的方法操作 ;
质膜相对透性采用电导仪法 (中国科学院上海植物
生理研究所和上海市植物生理学会 , 1999) 测定 ;
可溶性蛋白含量的测定按 Bradford (1976) 的方法操作 ;
SOD、CAT、POD的活性测定均参照 Cao (2004) 和方法。
1 .3 数据处理
数据统计分析采用 EXCEL 和 SAS软件。
2 结果
2 .1 锰在水蓼细胞中分布与化学形态的研究
2 .1 .1 锰在水蓼细胞水平的分布 不同锰浓度
处理下水蓼根细胞内 Mn含量及分配率如表 1 所
示。在根部随锰处理浓度的增加 , 细胞质可溶性
物质、细胞壁和细胞器中结合的锰含量均增加 ,
根中的总锰含量随培养液中锰的增加迅速增加 ,
在处理浓度为 5 000μmol?L 时 , 根中 Mn的含量
比对照增加了近 58 倍 ; 从细胞内的分配比例来
看 , 对照处理时 , 根中大部分锰分布在细胞质可
溶性部分 , 占总锰的 62 .16% , 随锰处理浓度的
增加 , 细胞质可溶性部分锰含量减少 , 细胞壁结
合的锰含量增加 , 在 5 000μmol?L 锰处理时 , 细
胞壁锰占总锰的 61 .22% , 而此时细胞质可溶性
094 云 南 植 物 研 究 30 卷
表 1 水蓼叶、茎和根细胞内 Mn 的分布
Table 1 Subcellular distribution of Mn in different organs of Polygonum hydropiper
Mn treatment F1 )F2 SF3 TTotal
μmol?L mg?kg FW
root
9 L. 1 ( CK ) 12 l. 56±1 R. 13a (25 r. 36) 30 ?. 78±2 |. 23a (62 . 16) 6 . 18±0 .32 (12 . 48) 49 .52±3 ~. 85
500 ?180 .16±9 w. 62 (35 .48) 289 .15±20 .33 (56 .95) 38 .43±2 . 46 (7 . 57) 507 .74±39 . 43
2000 ?936 .13±50 .29 (57 .47) 613 .96±35 .18 (37 .69) 78 .69±5 . 11 (4 . 83) 1628 . 78±100 .34
5000 ?1758 .76±120 .47 ( 61 .22 ) 993 .46±78 .93 (34 .58) 120 .84±9 .46 (4 .21) 2873 . 06±251 .36
Stem
9 L. 1 ( CK ) 21 l. 48±1 R. 17 (67 ]. 89) 6 q. 12±0 W. 25 (19 b. 34) 4 ?. 04±0 .15 (12 . 77) 31 .64±2 ~. 69
500 ?40 l. 23±3 R. 26 (66 ]. 61) 14 . 59±1 |. 10 (24 . 16) 5 . 58±0 .35 (9 g. 24) 60 .40±5 ~. 71
2000 ?355 .85±22 .47 (45 .38) 396 .45±29 .73 (50 .55) 31 .92±2 . 46 (4 . 07) 784 .22±64 . 88
5000 ?562 .43±41 .78 (37 .12) 887 .79±66 .42 (58 .59) 65 .14±5 . 58 (4 . 30) 1515 . 36±100 .10
Leaf
9 L. 1 ( CK ) 29 l. 36±1 R. 99 (36 ]. 37) 47 ?. 01±3 |. 58 (58 . 18) 4 . 43±0 .30 (5 g. 48) 80 .80±6 ~. 28
500 ?158 .37±10 .38 (34 .51) 277 .43±21 .08 (60 .45) 23 .17±1 . 93 (5 . 05) 458 .97±34 . 50
2000 ?654 .07±51 .17 (33 .16) 1266 .98±100 .04 ( 64 .24 ) 51 .35±3 . 88 (2 . 60) 1972 . 40±110 .75
5000 ?1118 .82±93 .41 ( 31 .73 ) 2314 .57±187 .21 ( 65 .64 ) 92 .86±7 . 97 (2 . 63) 3526 . 25±296 .87
注 : F1 表示细胞壁 ; F2 表示细胞质内可溶性物质及液泡 ; F3 表示细胞器 ( 除液泡 ) ; 圆括号内数值为不同细胞组分的分配比例 ( % )
Note: `F1 means cell wall ; F2 means intracytoplasmic soluble substance and vacuoles; F3 meansorganelle ( except vacuoles) ; Numerical value in parenthe-
sis means distribution ratio of different cell components .
部分锰含量只占总锰的 34 .58% , 随锰处理浓度
的增加 , 细胞器中锰含量从 12 .48%降至 4.21%。
锰在茎中的含量分布及分配率见表 1。锰在
茎中的分布规律和在根中的分布规律一致 , 随锰
处理浓度的增加 , 细胞质、细胞壁和细胞器中的
锰含量均增加 ; 在茎中 , 细胞质中锰的绝对含量
增加最大。从锰在茎中的分配率来看 , 随锰处理
浓度的增加 , 水蓼茎中细胞质中锰的分配率增
加 , 细胞壁中锰分配率降低 , 这有利于锰向叶片
转运 ; 细胞器中锰分配率也有所减少。
叶是水蓼累积锰的重要器官 , 从其含量分布
看 , 锰在水蓼叶片中的分布规律与在根和茎中的分
布规律一致 , 随锰处理浓度增加 , 各亚细胞组分锰
含量都有所增加 , 且细胞质中锰绝对含量增加最大
(表 1)。从叶片中锰的亚细胞分配率来看 , 细胞质
可溶 性部 分 ( 包 括液 泡 ) 锰 的 比例 最 高 , 达
58.18%～65.64% , 其次是细胞壁部分 , 其比例为
31.73%～36.34% , 细胞器锰只占总锰的 2.605～
5.48%。叶片中锰大部分分布在细胞质可溶性部分 ,
可能是在其液泡中与某种配体结合存在。
2 .1 .2 Mn在水蓼体内的化学结合形态 不同提
取剂可提取不同形态的化合物 , 因此采用不同提
取剂顺序性提取植物中不同成份可以判断金属在
其组织中的化学结合形态。表 2 为不同提取剂顺
序提取的各种化学形态 Mn在水蓼根、茎和叶中
的含量。
从表 2 可以看出 , 随着 Mn 处理浓度的增
加 , 各形态 Mn 的绝对含量也增加。对照处理
(9 . 1 μmol?L ) 和低浓度处理 ( 500 μmol?L ) 时 ,
水蓼根中的 Mn以水提取态为主 , 分别为总 Mn
的 63 .61% 和 47 .31% ; 高浓度 Mn 处理 ( 2 000
μmol?L) 时 , 根中水提取态 Mn含量大幅度降低 ,
为全 Mn含量的 31 .52% , Mn处理浓度达 ( 5 000
μmol?L ) 时 , 水提取态 Mn仅为总 Mn的 29.76%。
而盐酸提取态 Mn和氯化钠提取态 Mn 含量比例
均显著上升 , 提高幅度分别有 15 .31 和 16 .70 个
百分点。
Mn在水蓼茎中的化学形态以水提取态和氯
化钠提取态为主。随着 Mn处理浓度的增加 , 茎
中水提取态 Mn占总 Mn的比例也逐渐增加 , 从
对照处理时的 34 .55% 增加至 5 000μmol?L 时的
50 .26% , 在茎中 , 水提取态 Mn比例的增加有利
于 Mn向地上部的运输 ; 氯化钠提取态也有小幅
度增加 , 提高幅度达 6 .61 个百分点 ; 其他提取
态 Mn的比例均有小幅度降低。
水蓼叶片中的 Mn以水提取态、盐酸提取态
和氯化钠提取态为主 , 随着 Mn 处理浓度的增
加 , 水提取态Mn和盐酸提取态Mn占总Mn的比
例也逐渐上升 , 盐酸提取态 Mn上升了 8 .08 个百
分点 , 水提取态 Mn也上升了 5 .64 个百分点 , 其
他提取态所占比例则均有不同幅度下降。这说明
无论是低 Mn还是高 Mn处理下 , Mn在水蓼叶中
1944 期 王 华等 : 超积累植物水蓼吸收锰的生理与分子机制
均以水溶性有机酸盐为主要形态存在 , 其次以草
酸盐、果胶酸盐或与蛋白质结合形态形态存在。
2 .2 水蓼对锰毒害的生理生化响应机制
2.2.1 不同锰处理浓度对叶片叶绿素含量的影响
由表 3 可见 , Mn处理对水蓼叶绿素 a、b含
量均有影响。随着锰处理浓度的升高 , 水蓼叶绿
素 a、b含量均呈下降趋势。但是与对照相比差
异并不显著 , 只在锰浓度 > 5 000μmol?L 时 , 叶
绿素 a含量与对照相比差异达显著 ( P = 0 .05) 。
2 .2 .2 不同锰处理浓度对叶片细胞膜的影响
质膜透性是细胞膜受损的一种表现。细胞膜受
损的伤害程度越大 , 植物的质膜透性也相应越大。
表 2 水蓼根、茎、叶各组织中各种化学提取态 Mn 的含量 ( mg?kg FW )
Table 2 Concentrations of Mn in the chemical fractions of the fresh root、stem and leaf tissues of
Polygonumhydropiper by successive extractions ( mg?kg FW )
Mn treatment FE FW FNaCl FHAc FHCl FR Total
μmol?L mg?kg FW
9 ?. 1 4 }. 05±0 c. 32(7 ?. 45 )
34 ?. 60±3 . 15
(63 @. 61)
8 .41±0 .69
( 15 ~. 46 )
2 7. 13±0 ?. 25
(3 .92)
4 u. 04±0 [. 41
(7 .43 )
1 .16±0 .09
( 2 &. 13) 54 .39±4 .98
500 L
38 ?. 32±7 u. 16
(6 ?. 82 )
265 . 77±23 .59
(47 @. 31)
150 ?. 27±7 .13
( 26 ~. 75 )
31 I. 39±4 /. 03
(5 .59)
66 .28±7 m. 96
(11 .80)
9 .78±1 .11
( 1 &. 74) 561 ?. 82±52 .38
root
2000 ^104 ?. 45±29 .87(6 ?. 63 )
496 . 69±42 .18
(31 @. 52)
478 ?. 56±19 .69
( 30 ~. 37 )
153 I. 30±14 T. 87
(9 .73)
320 .08±32 .49
(20 .32)
22 .46±2 .56
( 1 &. 43) 1575 ,. 54±139 N. 75
5000 ^184 ?. 61±72 .16(6 ?. 76 )
812 . 88±79 .43
(29 @. 76)
878 ?. 35±31 .88
( 32 ~. 16 )
202 I. 40±38 T. 74
(7 .41)
621 .08±65 .19
(22 .74)
31 .80±3 .17
( 1 &. 16) 2731 ,. 11±250 N. 42
9 ?. 1
4 }. 90±0 c. 45
(10 ?. 84)
15 ?. 63±1 . 38
(34 @. 55)
13 ?. 60±1 .15
( 30 ~. 06 )
4 7. 12±0 .48
(9 .11)
5 u. 18±0 [. 52
(11 .46)
1 .80±0 .75
( 3 &. 98) 45 .24±4 .34
500 L8 }. 69±9 c. 08(9 ?. 35 )
34 ?. 56±3 . 57
(37 @. 17)
30 ?. 37±3 .06
( 32 ~. 66 )
8 7. 02±0 .74
(8 .63)
9 u. 18±1 [. 06
(9 .87 )
2 .16±0 .19
( 2 &. 32) 92 ?. 99±10 .25
stem
2000 ^45 ?. 50±4 u. 73(5 ?. 01 )
439 . 44±40 .57
(48 @. 36)
322 ?. 04±27 .88
( 35 ~. 44 )
62 I. 50±6 /. 09
(6 .88)
28 .38±3 m. 07
(3 .12 )
10 .80±1 .24
( 1 &. 19) 908 ?. 65±90 .66
5000 ^83 ?. 55±8 u. 17(4 ?. 27 )
983 . 74±88 .16
(50 @. 26)
7177 ?. 85±49 ). 72
( 36 ~. 67 )
93 I. 81±9 /. 22
(4 .79)
60 .80±5 m. 98
(3 .11 )
17 .65±1 .66
( 0 &. 90) 1957 ,. 40±134 N. 28
9 ?. 1 4 }. 16±0 c. 38(4 ?. 14 )
38 ?. 76±4 . 01
(38 @. 55)
24 ?. 23±2 .31
( 24 ~. 11 )
10 I. 82±1 /. 26
( 10 .76 )
20 .77±1 m. 98
(20 .66)
1 .80±0 .11
( 1 &. 79) 100 .53±10 .28
500 L19 ?. 97±2 u. 07(3 ?. 51 )
230 . 67±25 .98
(40 @. 52)
108 ?. 27±11 .46
( 19 ~. 02 )
60 I. 15±7 /. 14
( 10 .56 )
145 .99±13 .73
(25 .64)
4 .25±0 .47
( 0 &. 75) 569 ?. 30±55 .41
leaf
2000 ^59 ?. 01±6 u. 22(3 ?. 14 )
789 . 75±81 .43
(42 @. 08)
365 ?. 21±34 .58
( 19 ~. 46 )
144 I. 09±14 T. 78
(7 .68)
499 .65±51 .66
(26 .62)
18 .96±2 .04
( 1 &. 01) 1876 ,. 68±180 N. 78
5000 ^104 ?. 40±10 .74(2 ?. 97 )
1552.36±148.82
(44 @. 19)
581 ?. 19±47 .43
( 16 ~. 54 )
238 I. 08±24 T. 64
(6 .78)
1009 .68±99.76
(28 .74)
27 .50±3 .11
( 0 &. 78) 3513 ,. 21±320 N. 46
注 : 4FE 表示 80 % 乙醇提取态 , FW 表示去离子水提取态 , FNaCl 表示 1 mol?L 氯化钠提取态 , FHAc表示 2 %醋酸提取态 , FHCl 表示 0 .6 mol?L
盐酸提取态 , FR 表示残余态 ; 圆括号内数值为不同提取态内锰的分配比例 ( % )
Note: _FE means 80 % ethanol extractable Mn; FW means deionized water extractable Mn; FNaCl means1 mol?L NaCl extractable Mn; FHAc means 2 % acetic
acid extractable Mn; FHCl 0 .6 mol?L HCl extractable Mn; FR means residual Mn; Numerical value in parenthesis means distribution ratio of different
extractable Mn .
表 3 锰胁迫下水蓼叶片各生理生化指标的含量
Table 3 Concentration of different physiology and biochemical index of leaves of Polygonumhydropiper on Mn stress
Mn treatment
(μmol?L )
Chla
( mg?g FW)
Chlb
( mg?g FW)
Leakage
( % )
Protein content
( mg?g FW )
SOD activity
( U?g FW)
POD activity
( U?g FW )
CAT activity
( U?g FW)
9 ?. 1 (CK ) 1 . 30±0 .04a 0 .. 42±0 .08a 16 .77±1 e. 96a 9 .96±0 .62a 49 $. 62±4 .43a 93 .34±7 .80a 30 /. 88±2 .50a
500 ?1 .32±0 .11a 0 .. 45±0 ?. 07a 18 .02±2 e. 70a 6 .01±0 .74c 69 $. 18±5 .72a 101 . 21±7 . 97a 33 /. 66±3 .13a
2000 ?1 .20±0 .13a 0 .. 41±0 ?. 06a 19 .06±1 e. 41a 7 .79±0 . 91b 96 . 84±8 .07b 133 .35±13 .20a 30 /. 25±2 .77a
5000 ?1 .14±0 .06ab 0 .. 34±0 ?. 03a 20 l. 01±0 R. 74ab 8 .26±0 . 45b 145 $. 99±10 /. 48c 308 .03±36 .50b 32 .57±3 .17a
8000 ?0 .92±0 .04b 0 .. 30±0 ?. 05a 23 }. 04±1 c. 73b 9 .17±1 ~. 04ab 244 . 10±26 -. 65d 498 .75±44 .60c 31 /. 87±2 .83a
注 : 不同字母表示差异显著 ( P = 0 .05) 。Different letters within columns indicate significantly different ( P = 0 .05)
294 云 南 植 物 研 究 30 卷
随着 Mn处理浓度的升高 , 水蓼叶片的质膜透性
有逐渐增加的趋势 (表 3)。当 Mn处理浓度≤
5 000μmol?L 时 , 与对照和其它处理差异不显著
( P = 0 .05 ) , 表明 Mn 浓度达 50 000μmol?L 时还
没有使细胞膜严重受损。当 Mn处理浓度为 8 000
μmol?L , 与对照相比质膜透性差异显著 ( P =
0 .05) , 表明高浓度的 Mn 已对叶片产生了明显
的损害。
2 .2 .3 不同锰处理浓度对叶片可溶性蛋白含量
的影响 逆境胁迫可引起植物基因表达的变化 ,
使某些正常蛋白质合成受阻 , 逆境蛋白 ( stress
protein) 被诱导合成 , 使植物在代谢和结构上发
生调整 , 增强抵御不良环境的能力。从表 3 可以
看出 , 水蓼在对照锰处理 ( 9 . 1μmol?L ) 时 , 可
溶性蛋白含量最高。与对照相比 , 随锰浓度的增
加 , 水蓼叶片的可溶性蛋白含量明显减少 , 在
500μmol?L 时 , 其可溶性蛋白含量显著减少 , 随
着锰处理浓度的升高 , 其可溶性蛋白含量有所上
升 , 当 Mn处理浓度为 8 000μmol?L 时与对照相
比差异不显著 ( P = 0 .05) 。
2 .2 .4 不同锰处理浓度对叶片抗氧化酶的影响
随供锰水平的提高 , 水蓼叶片的 SOD 酶活
性呈明显的增加趋势 , 当锰处理 > 500 μmol?L
时 , 与对照相比 SOD 酶活性达显著 ( P = 0 .05)
(表 3)。随供锰水平的提高 , 水蓼叶片的 POD 酶
活性呈明显的增加趋势 , 当锰处理≥5 000μmol?L
时 , 与对照相比 POD 酶活性达显著 ( P = 0 .05)
(表 3)。随锰处理水平的增加 , 水蓼叶片的 CAT
酶活性变化不明显 , 各处理间 , CAT 酶活性均不
显著 ( P = 0 .05) 。
3 讨论
3 .1 Mn在水蓼细胞内的分布
水蓼能富集高浓度的 Mn而不受毒害 , 其体
内必然存在某种解毒机制。一般认为重金属离子
在细胞内的区隔化是植物内部解毒的重要途径之
一。已有的研究表明 : 细胞壁能束缚大量金属离
子 , 避免这些离子的跨膜运输和向细胞内的迁
移 , 从而降低了原生质部分的金属离子浓度 , 使
植物免受毒害 ( 杨居荣等 , 1995) 。
不同 Mn浓度处理下 , 在水蓼根细胞壁的中
的Mn 含量占总量的 25 .36% ～61 .22% ( 表 1 )。
根细胞壁具有大量的阳离子配位基团 , 是重金属
的重要累积部位 , 也是锰结合的重要部位。根细
胞壁锰分配比例的增加 , 细胞可溶性部分锰分配
比例减少 , 部分地限制了锰向地上部分运输 , 这
可能是水蓼耐锰的一种机制 ; 但由于水蓼叶锰的
超积累特性及锰易从地下部分向地上转移的特
性 , 仍有大量的锰运输到茎叶中。锰在茎细胞质
中的含量较高 , 细胞壁中锰分配率降低 , 这有利
于锰向叶片转运。
除细胞壁之外 , 液泡是植物细胞原生质内部
的另一个重金属离子的贮存库。当细胞壁上能结
合金属离子的结合点达到饱和时 , 重金属离子必
然透过细胞膜进入原生质中。前人的研究己发现
Ni 的超积累植物庭葬属的 A. serpyllifolium细胞
中 , 72% 的 Ni 分 布 在 液 泡 中 ( Nishizono 等 ,
1987) , Zn超积累植物遏蓝菜属的 T. caerulescens
的叶片组织在低 Zn 供应 (10μmol?L) 时 , 液泡
与质外体中的 Zn浓度几乎相等 , 而当高 Zn供应
(100μmol?L) 时 , Zn 在液泡中的分布明显高于
质外体 (Vazquez等 , 1992) 。
从叶片中锰的亚细胞分配率来看 , 细胞质可
溶性部分 (包括液泡 ) 锰的含量最高 , 占总锰的
58 .18%～65 .64% (表 1)。由于成熟细胞 95%的体
积都是液泡 (Memon and Yatazawa, 1984) , 因此可
以推测叶片中大部分都累积在液泡中。植物细胞
器具有很多重要功能 , 随锰处理浓度的增加细胞
器中锰分配率降低 , 这可能是水蓼对高锰的一种
适应性保护机制 , 以维持细胞器的正常功能。细
胞壁在叶片累积锰的过程中也起了相当的作用。
3 .2 水蓼细胞内 Mn 的化学形态
重金属的形态是植物累积解毒的重要机制之
一。许多研究者对植物体内重金属离子存在的化
学形态的研究表明重金属离子在细胞内不能以游
离态大量存在。在超富集植物体内 , 85% ～90%
的重金属离子是与极性化合物相结合的 , 这些极
性化合物一般是水溶性的、醇溶性的和酸溶性的
低分子量的金属螯合物 , 它们含有大量的金属离
子的配位基团 , 这些金属配位体在维持细胞金属
离子的微量稳态方面起着重要作用 ( Baker and
Brooks, 1989; Rauser, 1999 )。
随处理浓度增加 , 水蓼根中 Mn由水提取态
向盐酸提取态和氯化钠提取态转化 (表 2 ) , 说
3944 期 王 华等 : 超积累植物水蓼吸收锰的生理与分子机制
明根细胞壁结合的 Mn 含量随锰处理浓度增加而
增加 , 这与 Mn在水蓼根亚细胞内的分布结果一
致 ( 表 1 )。锰在根中与细胞壁结合导致锰向地
上部分转移能力的减弱 , 这可能是水蓼耐 Mn的
机制之一 , 但由于细胞壁容量有限以及 Mn易向
地上部分迁移的特性 , 仍有大量的锰转移到地上
部分后累积在叶中。在茎中 , 水提取态 Mn含量
达总锰的 34 .55%～50 .26% , 且随处理浓度的增
加其水提取态 Mn 比例增加 , 高水提取态的 Mn
有利于 Mn在木质部的向上运输 , 这与水蓼茎亚
细胞内的分布也是吻合的 ( 表 1 )。在水蓼的叶
片中 , 水提取态Mn占总锰的 38 .55%～44 .19% ;
对其他锰富集植物叶片研究表明 , 54%～77% 的
Mn可被水提取 ( Memon and Yatazawa, 1982 ) , 去
离子水主要提取与水溶性物质结合的部分如水溶
性有机酸盐 , 因此水蓼叶片中大部分 Mn可能与
有机酸结合。在水蓼的叶片中 , 随着锰处理浓度
的增加 , 盐酸提取态锰占总锰的比例不断增加 ,
盐酸主要提取草酸盐 , 即草酸锰占叶 片总锰
20 .66%～28 .74% , 说明水蓼叶中有相当量是以
草酸锰形态存在。在 Memon and Yatazawa (1984)
与 Bidwell 等 (2002) 的研究中都提出草酸是 Mn
的最终受体 , 徐向华 ( 2006) 的研究中提出商陆
叶片中的 Mn 以 + 2 价为主 , 草酸锰是其叶片中
锰的主要形态。
3 .3 水蓼对锰的生理生化响应
本研究中 , 在高 Mn浓度 ( 8 000μmol?L ) 处
理下 , 成熟叶片的叶绿素含量下降 , 因此影响干
物质的合成 , 这与高锰浓度处理下水蓼地上部分
生物量减少的结果相一致 ( 王华等 , 2007 )。叶
绿素下降的原因 : 一是重金属抑制原叶绿素酸醋
还原酶合成 ; 二是影响氨基酮戊酸的合成 (Sto-
bart等 , 1985)。另外 , Mg和 Fe是叶绿素的重要
组分 , 在叶绿素的合成和电子传递过程中发挥重
要作用 , 高锰对 Fe吸收的抑制减少了叶绿素的
合成。
质膜是控制离子进出细胞的重要屏障 , 在接
触过量金属离子时维持质膜结构完整性的能力是
决定植物耐性强弱的关键因素。重金属离子过量
将导致质膜透性改变 , 离子泄露增加。本实验的
研究结果表明 , 随供锰浓度的提高 , 质膜透性有
增加趋势 , 在锰浓度处理≤5 000μmol?L 时差异
不显著 ( P = 0 .05 ) , 说明水蓼还没有受到锰的
严重危害。
由于活性氧自由基的毒害作用 , 植物自身会
存在一种保护系统来清除产生的活性氧自由基 ,
SOD、POD、CAT 是抗氧化酶防御系统中的重要
保护酶 , 能够对自由基和过氧化物起清除作用。
SOD 作为超氧自由基清除剂 , 其活性高低与植物
抗性大小有一定的相关性。当外来胁迫 ( 如重金
属 ) 导致大量活性氧产生时 , 它能及时有效清除
自由基 , 保护细胞免受氧化胁迫的伤害 ( Cakmak
and Horst, 1991) ; 但当活性氧的增加远远超过正
常的歧化能力时 , 细胞内多种功能酶及膜系统遭
到破坏 , 生理代谢紊乱 , SOD 活性反而受到抑制
而下降 ( 严重玲等 , 1997 )。本研究结果表明 ,
随锰处理浓度的提高 , SOD 活性增加 , 说明 SOD
在清除 O2 . - 具有重要作用。
研究表明 POD 活性的高低与植物的耐锰能
力关系密切 ( Gonzales 等 , 1998; Fecht-Christoffers
等 , 2003) 。从本试验的结果来看 , 增加锰处理
浓度 POD 活性升高 , 表明 POD 在降低氧化胁迫
方面发挥重要作用 , 许多研究表明 , 植物体内
CAT 随着环境胁迫的加重而下降 (Madgava and
Sresty, 2000; Schutzenubel 等 , 2002; Al-aghabary
等 , 2004)。但是有关锰胁迫对 CAT 活性的影响 ,
报道的结果不尽一致。高锰胁迫使大麦和圆叶薄
荷中的 CAT 活性显著上升 ( Candan and Tarhan,
2003; Demirevska-Kepova 等 , 2004 ) 。 Nable 等
(1988) 以烟草为材料的研究中 , 发现不同锰水
平下 CAT 活性无显著差异。在本试验中 , 不同
锰处理下 CAT 活性亦无显著差异 , 表明在水蓼
中 CAT 可能不是锰胁迫下清除 H2 O2 的关键酶。
高锰处理对 CAT 的影响在不同的研究者之间存
在差异 , 其原因可能归因于植物种间的反应不
同 , 也可能与取样时间和组织不同有关。
许多逆境条件 ( 如高光强、干早、重金属、
盐渍、高温、冷冻、营养元素缺乏 ) 及衰老等都
会导致植物细胞内自由基的产生量增多和自由基
清除能力的改变。轻微逆境能刺激植物保护酶系
统活性的提高 , 而提高植物对逆境的抵抗能力。
保护酶系统对自由基的清除能力的变化可能是植
物抗性的共同机制。本试验结果表明 , 随供锰水
平的提高 , 水蓼叶片 SOD 和 POD 活性提高 , 保
494 云 南 植 物 研 究 30 卷
护酶活性的提高又可清除活性氧自由基 , 这可能
是水蓼耐高锰和累积锰的一种生理响应机制。
〔参 考 文 献〕
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