全 文 ：书铅胁迫下景天属和花生属植物根系有机酸分泌
特性分析
*
聂 磊 全国明 陈路书
(广州城市职业学院城市建设工程系，广东 广州 510405)
摘要 在溶液培养条件下，铅( Pb) 处理 15 min后景天属植物就开始大量分泌有机酸，而花生属植物在
4 h后才开始分泌，总有机酸在 12 h后达到最大值，且野生种类的分泌强度要明显超过栽培种类。蛋白质合
成抑制剂环己亚酰胺( CHM) 不影响景天属植物根系有机酸的分泌，但明显抑制了花生属植物有机酸的分
泌，表明后者的分泌过程必须有新蛋白质的诱导合成。阴离子通道抑制剂苯甲酰甲醛( PG) 和蒽-9-羧酸( A-
9-C) 均明显抑制 Pb诱导下景天属和花生属植物根系有机酸的分泌，显示出两者的有机酸分泌是与膜系统
上的阴离子通道密切相关，且能被 Pb所诱导或激活。景天属植物和花生属植物根系有机酸的分泌受到抑制
后，其叶片的相对电导率、丙二醛( MDA) 含量都明显升高，显示植物抗逆境能力与根系有机酸的分泌强度存
在一定联系。
关键词 铅胁迫;景天属;花生属;根系;有机酸分泌
中图分类号:S718． 5 文献标识码:A 文章编号:1006 － 4427(2013)06 － 0014 － 07
Influence of Lead Stress on Ｒoot Organic Acid Exudates of
Sedum and Arachis Plants
NIE Lei QUAN Guoming CHEN Lushu
(Department of Urban Construction Engineering，Guangzhou City College，Guangzhou，Guangdong 510405，China)
Abstract The organic acids secretion (OAS)in Sedum species roots occurred within 15 min of Pb expo-
sure，while that in Arachis species roots was induced after at least 4 h． A protein-synthesis inhibitor cycloheximide
(CHM)had no obvious effect on the Pb induced OAS in Sedum species，but strongly inhibited the OAS in Arachis
species roots． This suggested that novel protein synthesis was not involved in the Pb induced oxalate secretion in Se-
dum species，but was essential in Arachis species． The OAS in Sedum species was sensitive to anion channel bloc-
ker phenylglyoxal (PG)and the citrate secretion in Arachis species was sensitive to anthrancene-9-carboxylic acid
(A-9-C)，indicating anion channels were involved in OAS of both pattern plants． In accompanying with the inhibi-
tion of OAS by protein-synthesis inhibitor cycloheximide (CHM) ，anion channel blocker PG and A-9-C，the level
of cell relative conductivity and the contents of malondialdehyde (MDA)of Sedum and Arachis species under lead
treatment were sharply improved． This indicated that there was a possible link between the capacity of plant stress
resistance to heavy metal and the intensity of the organic acids and other chemical ecological metabolites exuded
from roots．
Key words lead (Pb)stress;Sedum;Arachis;root;organic acids secretion
铅(Pb)是土壤中最普遍的重金属污染物之一，城市和工矿区是土壤铅污染的重灾区，铅污染物扩散是
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* 基金项目:国家星火计划项目(2011GA7800) ，广东省广州市科技计划项目(2010Z1-E211) ，广东省教育厅高层次人才项目，广东省广州
市羊城学者计划项目(10B004D)。
第一作者:聂磊(1973-) ，男，博士，教授，主要从事绿地植物生理生态研究，E-mail:stephen_nie@ 126． com。
造成城市与矿区周边土壤污染的重要途径［1-2］。与传统治理方法相比，植物修复技术具有潜在的高效、经济
及其生态协调性等特点，在清除土壤重金属污染方面显示出巨大的优势，因而成为生态恢复研究的热点［3-4］。
为降低重金属污染物的危害，不少学者利用各种植物在净化和改善受污染环境方面已做了大量的研究工作，
重金属超富集植物东南景天(Sedum alfredii)和高麦草(Agropyron elongatum)等在重金属污染场地的恢复重
建中发挥着重要作用［5］。根系分泌物的化学生态学是近年来环境学界的研究热点，尤其是根系分泌物中的
有机酸。不少研究都表明，在不同环境胁迫条件下，植物能够通过调节自身生命活动过程及代谢分泌物来积
极适应环境胁迫［6］。本研究以在铅污染环境下生长良好的景天属野生种紫叶景天(S． telephium)和花生属
野生种蔓花生(Arachis duranensis)为材料，以同属的栽培种花生(Arachis hypogaea)和佛甲草(S． lineare)作为
对照，探索分析铅胁迫下同属植物在根系有机酸分泌方面的规律，利用蛋白质合成抑制剂、阴离子通道抑制
剂等方法来系统比较铅胁迫下植物根系有机酸分泌和生理特性的差异，以期能进一步了解重金属胁迫下根
际微生态系统的响应，为深入开展化学生态学相关领域研究和生态恢复技术实践提供参考。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
供试的植物材料分别为景天属的野生种紫叶景天和栽培种佛甲草，花生属的野生种蔓花生和栽培种植
物花生。其中紫叶景天于 2011 年采自肯尼亚马赛马拉国家保护区(1°3704″S，35°2321″E) ，蔓花生于 2012
年采自海南东方大田自然保护区(19°1512″N，108°4442″E) ;花生栽培品种为汕油 523，购自广东省农业科
学研究院作物研究所花生试验基地。
1． 2 试验设计
1． 2． 1 植株培养 采用根箱水培技术。花生属植物种子用 70%乙醇灭菌，以无菌水冲洗 7 ～ 8 次，置于
25 ℃恒温箱中黑暗条件下催芽 4 d。当幼苗 2 片叶子展开时，将长势一致的幼苗用海绵包住茎，移植到盛有
Hoagland完全培养液的水培箱中。每 2 d换 1 次营养液，每天通气 4 h，共培养 15 d。选取长势均一的佛甲
草和紫叶景天，洗净后定植于水培箱中，Hoagland完全培养液中正常生长 1 个月。铅污染处理浓度为目前国
际土壤铅污染研究通常采用的平均浓度，即 1 000 mg·L －1水平，用 Pb(NO3)2 配成溶液
［1，4］。植物材料在处
理前用蒸馏水淋洗根部 3 ～ 5 次，然后用滤纸吸干根表面水分。对照及处理均设 3 次重复。
1． 2． 2 Pb 胁迫下测试植物根系有机酸分泌的时间响应 所有植物的处理溶液都为含 1 000 mg·L －1
Pb(NO3)2的 0． 5 mmol·L
－1 CaCl2 溶液(pH值 5． 0)。对于景天属植物，在 Pb 处理后的0． 25，0． 5，1，2，3，6，
9，12 h收集根系分泌物;对于花生属植物，分别在处理后的 2，4，6，8，10，12 h收集根系分泌物。迅速向根系
分泌物收集液中加入适量百里酚，经过滤除去杂质后，再过 0． 45 Lm滤膜。取 10 mL收集液测定总有机酸含
量。总有机酸含量为单位质量干质量的植物所含的有机酸摩尔含量，用 NaOH滴定法测定［7］。
1． 2． 3 蛋白质合成抑制剂对 Pb 胁迫下测试植物根系有机酸分泌的影响 处理溶液分别为 CK(0． 5
mmol·L －1 CaCl2 溶液)、CHM(含 20 mmol·L
－1环己酰亚胺(Cycloheximide，CHM)的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2
溶液)、Pb(含1 000 mg·L －1 Pb(NO3)2 的 0． 5 mmol·L
－1 CaCl2 溶液)以及 CHM + Pb(含1 000 mg·L
－1
Pb(NO3)2 和 20 mmol·L
－1 CHM的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2 溶液)。处理 12 h 后收集植物的根系分泌物，收集
方法同前述的时间响应测试方法相同。
1． 2． 4 阴离子通道抑制剂对 Pb 胁迫下测试植物根系有机酸分泌的影响 采用的阴离子通道抑制剂为
蒽-9-羧酸(Anthrancene-9-carboxylic acid，A-9-C)和苯甲酰甲醛(Phenylglyoxal，PG)。处理组合为:CK(0． 5
mmol·L －1 CaCl2 溶液)、PG(含 20 mmol·L
－1 PG 的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2 溶液)、A-9-C(含 20 mmol·L
－1
A-9-C的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2 溶液)、Pb(含 1 000 mg·L
－1 Pb(NO3)2 的 0． 5 mmol·L
－1 CaCl2 溶液)、Pb +
PG(含 1 000 mg·L －1 Pb(NO3)2 和 20 mmol·L
－1 PG 的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2 溶液)、Pb + A-9-C(含 1 000
mg·L －1 Pb(NO3)2 和 20 mmol·L
－1 A-9-C的 0． 5 mmol·L －1 CaCl2 溶液)。处理 12 h 后收集植物的根系分
泌物。
1． 2． 5 植物生理指标测定方法 蛋白质合成和阴离子通道抑制剂作用 12 h 后，测定部分处理的景天属和
花生属植物叶片的丙二醛(MDA)含量和细胞膜透性。叶片丙二醛(MDA)含量为单位鲜质量植物的 MDA
摩尔含量，采用硫代巴比妥酸比色法测定［7］;细胞膜透性用相对电导率表示，采用电极法(DDS-11A 型电导
率仪)测定［7］。
51聂 磊等: 铅胁迫下景天属和花生属植物根系有机酸分泌特性分析
1． 2． 6 数据统计分析 所有试验数据用 SPSS(12． 0 版)软件对不同处理间的差异进行方差分析(ANOVA)
和 LSD 检验。
2 结果与分析
2． 1 Pb胁迫下根系有机酸分泌的时间响应比较
Pb胁迫处理后短时间内，景天属植物根系就开始大量分泌有机酸，其中野生种的紫叶景天在 Pb 处理的
最初 15 min内就达到 4． 13 μmol·g －1(图 1A)，此后景天属植物的有机酸分泌一直维持较高水平，直到处理
6 h后，根系有机酸分泌强度开始下降;栽培种的佛甲草根系有机酸分泌量要略低于野生种的紫叶景天。花
生属植物根系在 Pb处理 2 h后才开始分泌有机酸(图 1B)，随着处理时间的增加，有机酸含量逐步上升，直
至 Pb处理 12 h后，野生种的蔓花生根系有机酸分泌量达到 9． 82 μmol·g －1的最高值;栽培种的花生有机酸
分泌水平一直低于野生种的蔓花生，但是两者的根系有机酸分泌规律保持一致。
图 1 Pb胁迫处理下测试植物根系有机酸分泌的时间进程
2． 2 蛋白质合成抑制剂对 Pb胁迫下根系有机酸分泌的影响
环己酰亚胺(CHM)为广谱性的蛋白质合成抑制剂，测定结果表明，CHM处理对于景天属的野生种紫叶
景天和栽培种佛甲草根系有机酸分泌均不构成影响 (图 2A、B)。然而 CHM处理使 Pb胁迫下野生种蔓花生
和栽培种花生根系有机酸的分泌量分别下降了 64%和 59%，与单纯 Pb 胁迫相比差异达到显著水平(P ＜
0． 05) ，表明花生属植物根系有机酸的分泌涉及到新蛋白质的合成(图 2C、D)。
2． 3 阴离子通道抑制剂对 Pb胁迫下根系有机酸分泌的影响
由图 3 可知，阴离子通道抑制剂苯甲酰甲醛(PG)处理使 Pb 诱导景天属植物根系有机酸的分泌量明显
下降，野生种紫叶景天有机酸分泌量下降了 66%，而栽培种佛甲草则下降了 81%;另一种阴离子通道抑制剂
蒽-9-羧酸(A-9-C)处理对于抑制 Pb诱导景天属植物根系有机酸的分泌效果明显不如 PG，A-9-C 处理下 Pb
诱导野生种紫叶景天和栽培种佛甲草根系有机酸的分泌量仅分别降低了 19%和 32%(图 3A、B);而 PG 处
理使 Pb诱导野生种蔓花生和栽培种花生根系有机酸分泌量下降了 39%和 23%，A-9-C 处理却使 Pb 诱导野
生种蔓花生和栽培种花生有机酸分泌量降低了 81%和 73%，2 种处理与 Pb 胁迫之间的差异均达到显著水
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平(P ＜ 0． 05)(图 3C、D)。表明 2 种植物根系有机酸的分泌均有不同阴离子通道的参与，而不同类型阴离子
通道在跨膜运输动力学性质方面存在着显著差异。
图 2 蛋白质合成抑制剂 CHM对 Pb胁迫处理下测试植物根系有机酸分泌的影响
图 3 阴离子通道抑制剂 PG 和 A-9-C对 Pb胁迫处理下测试植物根系有机酸分泌的影响
2． 4 蛋白质合成抑制剂和阴离子通道抑制剂对 Pb胁迫下叶片抗逆性生理指标的影响
由图 4A、B可知，Pb胁迫处理明显增加栽培种佛甲草叶片的 MDA 含量和相对电导率水平，但对野生种
紫叶景天效果不明显。伴随着 PG处理下根系有机酸分泌受到抑制，野生种紫叶景天在 Pb 胁迫下叶片的相
对电导率、MDA含量都显著升高(P ＜ 0． 05)。类似的结果也发生在阴离子通道抑制剂 A-9-C 和蛋白质合成
71聂 磊等: 铅胁迫下景天属和花生属植物根系有机酸分泌特性分析
抑制剂 CHM作用下的栽培种花生与野生种蔓花生试验结果中(图 4C、D) ，表明植物抗逆境能力与根系有机
酸的分泌强度存在着一定的关联。
图 4 Pb胁迫处理、阴离子通道抑制剂 PG 和 A-9-C对测试植物叶片MDA含量和相对电导率的影响
3 讨论和结论
逆境下根土界面的化学过程已成为近年来化学生态学研究的前沿领域，其中研究最多的是根系分泌物
中的有机酸［8-9］。植物根系在不良条件下，如养分胁迫或重金属逆境等条件下会分泌一系列有机酸，如苹果
酸、草酸、琥珀酸、柠檬酸、酒石酸等。有研究表明，荞麦(Fagopyrum esculentum)和玉米(Zea mays)等植物在
含镉土壤中大量分泌低分子有机酸，有机酸与镉结合形成螯合物后被根系吸收，转运至地上部分，最后进入
液胞［1-2］。重金属超富集植物高麦草对 Cd、Cu、Ni、Pb 的吸收与柠檬酸、草酸和苹果酸的分泌呈明显正相
关［9］。研究还发现耐铝(Al)植物的根在 Al 胁迫下可分泌大量的有机酸，在植物根区与 Al 螯合，减少 Al进
入细胞的数量，从而降低 Al 的毒性［8］。但也有研究表明，我国首次发现的一种锌镉超富集植物———东南景
天的超富集和非超富集品系在根系分泌有机酸方面没有大的差异，在促进根际重金属活化和增加植物对重
金属吸收、转运方面的作用并不显著［10］。本研究中景天属与花生属植物都对 Pb胁迫有着强烈的根际响应，
根系在一定时间内开始明显分泌有机酸，表明不同科属植物在重金属作用下的根系有机酸分泌模式有很大
不同。
Ma等［11］根据植物受 Al胁迫后有机酸分泌时间上的差异将有机酸的分泌分为 2 种模式:模式 I，即 Al
处理和植物有机酸分泌之间没有明显的延缓期，如春小麦(Barley yellow)、烟草(Nicotiana tabacum);模式 II，
处理和植物有机酸分泌之间有明显的延缓期，如大豆(Glycine max)、决明(Cassia tora)。Al 胁迫下植物根系
有机酸分泌的上述 2 种模式已在多种植物上得到证实。本研究中，Pb处理 15 min内景天属植物就开始明显
分泌有机酸，即没有经过明显的诱导期，可归属于模式 I，蛋白质合成抑制剂 CHM 的添加并不影响 Pb 作用
下景天属植物分泌根系有机酸，表明能诱导景天属植物根系迅速大量分泌有机酸的因子早已存在于根内，其
刺激有机酸分泌过程不需要诱导新蛋白质合成。与此相反，Pb作用下花生属植物根系有机酸大量分泌需要
至少 4 h的诱导期，可归属于模式 II，CHM处理显著降低 Pb诱导的有机酸分泌量，说明大量新蛋白质的诱导
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合成是 Pb刺激花生属植物根系大量分泌有机酸所不可或缺的过程，当蛋白质合成受到抑制时，有机酸分泌
量也显著下降。Yang等［12］利用蛋白质合成抑制剂研究 Al 胁迫下荞麦(模式 I)根系草酸的分泌及决明(模
式 II)根系柠檬酸的分泌，显示决明根系柠檬酸的分泌中需要合成新的蛋白质，在此过程中基因的诱导表达
及新蛋白质的合成可能涉及与有机酸代谢紧密相关的苹果酸脱氢酶、磷酸烯醇式脱氢酶、柠檬酸合成酶等相
关酶的活性，并进而影响 Al 所诱导的根内有机酸合成能力与分泌过程;而荞麦根系草酸分泌所需的蛋白质
预先存在于质膜上，Al 离子激活预先存在于质膜上的阴离子通道而直接刺激有机酸大量分泌。本研究的结
果可能与此类似。
Pb诱导景天属和花生属植物根系有机酸的分泌均受到阴离子通道抑制剂的抑制，其中，景天属根系有
机酸的分泌对 PG更敏感，而花生属植物根系有机酸的分泌对 A-9-C 更敏感，显示这两者有机酸的分泌是通
过若干种被 Pb所激活的阴离子通道实现的，因此不同科属的植物根系有机酸的分泌对阴离子通道抑制剂的
反应存在明显不同。类似状况在其它植物中也同样存在，如 A-9-C 和 Niflumic acid(NIF)明显抑制 Al 所诱
导的小麦根系苹果酸的分泌，而 4，4-二异硫氰 2，2-二硫酸(DIDS)没有抑制效果;Al 诱导大豆根系柠檬酸的
分泌受到 A-9-C，PG 及 NIF不同程度的抑制。金属离子激活阴离子通道从而促进有机酸分泌的方式可有 3
种途径:(1)金属离子能直接与阴离子通道结合进而使其激活;(2)金属离子与细胞膜上的蛋白质受体结合
后，再进一步激活阴离子通道;(3)金属离子在有细胞质成份参与的信号传导下激活阴离子通道。然而目前
还无法证明重金属离子到底通过哪种方式直接激活阴离子通道［13］。Ｒyan等［14］研究发现，小麦根尖 Al激活
的苹果酸所通过的阴离子通道与保卫细胞脱落酸(ABA)调控的 S-型阴离子通道在药理学性质上极为相似，
进而推测出这两种阴离子通道在控制机理上比较相似，也就是说，Al 胁迫有可能刺激提高了小麦根尖内
ABA的含量，而 ABA又进一步促进开放有机酸可通过的阴离子通道。Shen 等［15］的试验结果表明，外源
ABA作用能明显促进 Al胁迫下荞麦和大豆根系草酸和柠檬酸的分泌量，与此不同，外源 ABA却并不诱导小
麦根尖苹果酸分泌，水杨酸在大豆和决明上的应用也与此类似。以上结果都表明，不同种类阴离子通道的作
用机制都存在着很大差别，具体而言，究竟是共质体内的金属离子还是质外体的金属离子激活了阴离子通
道，当前也没有直接的证据，仍有待于今后的进一步研究分析。
对小麦、玉米及大豆等多种植物的研究表明，植物抗 Al 能力与 Al 诱导根系有机酸的分泌量存在正相
关，同一种植物的不同品种，其耐 Al程度与有机酸的分泌量也存在正相关［16］。在本研究中，景天属植物和
花生属植物根系有机酸的分泌被蛋白质合成抑制剂和阴离子通道抑制剂所抑制后，其叶片的相对电导率、
MDA含量都明显升高，显示植物抗 Pb胁迫能力降低。由此，本研究的结果进一步证明，植物抗逆境能力与
根系有机酸的分泌强度存在着直接的关联。至于新蛋白质的合成，阴离子通道及根内有机酸的代谢等在有
机酸的分泌中所起的具体作用，以及植物根系在有机酸分泌中是否同时拥有多个抗 Pb 机制等问题，仍有待
今后进一步研究。
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