全 文 ：第 33卷第 3期 浙江师范大学学报(自然科学版) Vol.33, No.3
2010年 9月 　　　　　　JournalofZhejiangNormalUniversity(Nat.Sci.)　　　　　　 Sep.2010
　　文章编号:1001-5051(2010)03-0322-05
锰对美洲商陆和小飞蓬根系形态及根系分泌物的影响＊
张健平 1 , 　吴玉环2 , 　刘　鹏 1 , 　徐根娣 1 , 　唐秀梅 1 , 　郑国红 1
(1.浙江师范大学 植物学实验室 ,浙江 金华　321004;2.杭州师范大学 生命与环境科学学院 ,浙江 杭
州　310000)
摘　要:为进一步阐明植物对锰毒的耐性机制 , 从根系出发 , 以美洲商陆与小飞蓬为实验材料 ,设置了 5个锰
处理浓度:0.005, 1, 5, 10和 15 mmol/L, 用水培方法进行实验 , 处理 14 d时分别对 2种植物根系进行扫描 ,并
测定其根系分泌物中的总糖 、氨基酸和有机酸含量.结果表明:美洲商陆在锰浓度大于 1 mmol/L时促进根系
生长 , 表现为其根长 、根体积随锰浓度的升高而增加 ,根直径随锰浓度的升高而逐渐变小;小飞蓬的根长与根
体积随着锰浓度的增加而逐渐变小 ,根直径的变化无明显的规律;随着锰浓度的增加 , 2种植物根系分泌物中
的有机酸含量增加 , 氨基酸与总糖含量先增加后减少 , 美洲商陆根系分泌物中总糖 、氨基酸和有机酸的含量均
高于小飞蓬 , 这可能是其耐性机制之一.
关键词:美洲商陆;小飞蓬;锰;根系分泌物;根系形态
中图分类号:Q945.1　　　　文献标识码:A
Theefectsofmanganesestressonrootexudatesandrootmorphology
ofPhytolaccaamericanaandComnyzacanadensis
ZHANGJianping1 , 　WUYuhuan2 , 　LIUPeng1 ,
XUGendi1 , 　TANGXiumei1 , 　ZHENGGuohong1
(1.KeyLaboratoryofBotany, ZhejiangNormalUniversity, JinhuaZhejiang　 321004, China;2.ColegeofLifeandEnvironmentalSciences,
HangzhouNormalUniversity, HangzhouZhejiang　310036, China)
Abstract:TomakefurtherstudyonthemechanismofManganesetoleranceandaccumulation, therootmor-
phologyandtherootexudatesofPhytolaccaamericanaandComnyzacandadensiswerestudiedafter14 days
exposureofMn2 +(0.005, 1, 5, 10, and15mmol/L)inhydroponicculture.Theresultindicatedthatithad
litleefectontheroots′growthofPhytolaccaamericanaunderlowMnconcentration(lessthan1mmol/L).
However, thelengthandvolumeofrootwereincreasedunderhigherMnconcentration(morethan
1 mmol/L), andthediameterdeclinedwiththeincreaseoftheconcentrationofMn.AsforComnyzacanaden-
sis, itsrootmorphologydeclinedwiththeincreaseofMnconcentrationinthenutrientsolution.Theresultalso
＊ 收文日期:2009-11-27;修订日期:2010-01-14
　基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y306391)
　作者简介:张健平(1985-),男 ,广东博罗人 ,硕士研究生.研究方向:环境植物学.
　通讯作者:刘　鹏.E-mail:sky79@zjnu.cn
showedthatthestateoforganicacidcontentsofPhytolaccaamericanaandComnyzacanadensiswouldbein-
creased, butaminoacidscontentsandsolublecarbohydratecontentswereincreasedatthebeginningandde-
creasedlater.ItwasregardedthattherootexudatesmightplayanimportantroleinregulatingMnintimida-
tion.
Keywords:Phytolaccaamericana;Comnyzacanadensis;manganese;rootexudates;rootmorphology
　　锰是植物生长所必需的微量元素 ,在植物的
光合过程和氮代谢中起着极其重要的作用[ 1] ,它
是许多重要酶的激活物 ,同时也是光合作用中水
解酶的一个基本组分.但过量的锰会对植物产生
毒害 ,并且是多元化的 ,在组织细胞水平上 ,根尖
分生区是锰毒危害的主要部位 [ 2] .正常生长的植
物锰含量一般在 20 ～ 500 mg/kg,因植物种类而
异 ,很少超过 1 000mg/kg.近年来 ,一些能够在植
物地上部分大量富集污染物的特殊植物———超积
累植物(Hyperaccumulator)成为学术界研究的热
点 [ 3] .美洲商陆(Phytolaccaamericana)对锰有明
显的积累能力 , 叶片锰含量最高达 19.299
g/kg[ 4] .而小飞蓬(Comnyzacanadensis)为一年生
草本植物 ,与美洲商陆同为双子叶植物 ,根系形态
相似 ,任立民等 [ 5] 对其与美洲商陆进行对比研
究 ,发现小飞蓬耐锰性较差.
根系分泌物是植物在生长过程中通过根的不
同部位向基质(土壤 、营养液等)中分泌的一组种
类繁多的物质 ,是植物与土壤 、水 、大气进行物质 、
能量和信息交换的载体 ,在提高根际微生态的养
分有效性 、改善超积累植物对重金属污染的修复
作用 、分泌化感物质 ,以及植物遗传改良等方面具
有重要作用 [ 6] .根系分泌物能帮助植物进行修复
的途径是多种多样的 ,在清除重金属污染时主要
分泌有机酸 、氨基酸 、糖 、生长物质等到根际环境 ,
对植物根际的物理 、化学和生物学特性及各种养
分 、有益和有害物质进入植物体内产生重要影
响 [ 7] .
本实验以锰超积累植物美洲商陆和非锰超积
累植物小飞蓬为实验材料 ,采用水培方式 ,通过测
定 2种植物在锰毒胁迫下的根长 、根体积和根直
径 ,以及总糖 、氨基酸和有机酸的含量 ,比较 2种
草本植物在锰毒胁迫下的根系形态及根系分泌物
变化的异同 ,拟从植物根系出发阐明植物对锰毒
的耐性机制和根系分泌物对锰毒的作用.
1　材料和方法
1.1　实验材料
美洲商陆与小飞蓬均采于浙江师范大学生物
园.选取大小一致的美洲商陆种子 ,于浓硫酸中浸
泡 10 min,用清水将其洗净 ,播种于装有湿沙的铁
盘中 , 25℃条件下萌发[ 8] .小飞蓬于垫有湿滤纸
的培养皿中萌发 ,再转到湿沙中.待 2种植物植株
长到 5 ～ 6 cm高时 ,用改良的 Hoagland完全营养
液于 3 L黑漆漆过的有盖塑料桶中预培养 7 d,每
桶 8株 , 3次重复.
1.2　实验设计
锰源采用 MnCl2· 4H2O,所用试剂均为分析
纯.以正常 Hoagland营养液作为对照 (含 Mn2+
0.005 mmol/L),其他锰处理浓度分别为 1, 5, 10,
15mmol/L,用 NaOH溶液和 HCl溶液调节 pH,使
pH值维持在 4.5 ～ 5.5,置于恒温培养箱中(20 ～
24℃,湿度 50% ～ 75%),每天 12 h昼夜循环光
照 ,每天定时通气 2h, 每 5 d更换营养液.
1.3　根系分泌物收集与测定
锰处理 14d后 ,上午 08:30左右将美洲商陆
与小飞蓬各 8株从桶中取出 ,用去离子水洗净 ,用
吸水纸吸干水分后 ,将根放入盛有 200mL双蒸水
的塑料杯中收集根系分泌物 ,光照收集 12 h后取
出植物.收集的根系分泌物用 RE52-98型真空旋
转蒸发仪浓缩 (40 ℃)定容至 10 mL, 保存于
-20 ℃冰箱中待用.总糖含量根据蒽酮比色法测
定 [ 9] ,以 mg· mL-1表示;总氨基酸含量采用茚三
酮显色法测定[ 10] ,以 mg·mL-1表示;有机酸含量
用 NaOH滴定法测定 [ 11] ,以 mol· g-1表示.根系
分析采用根系分析仪(型号:STD1600+)分析.
1.4　数据分析
每处理重复测定 3次 ,根据 3次实验所得数
323　第 3期　　　　　　　　张健平 , 等:锰对美洲商陆和小飞蓬根系形态及根系分泌物的影响
据计算平均值和标准误差 ,利用 SAS分析软件进
行单因素方差分析.
2　结果与分析
2.1　锰对小飞蓬与美洲商陆根系形态的影响
由图 1所示 ,在锰处理第 14天 ,小飞蓬的根
长随着锰浓度的升高而减小 ,当锰处理浓度升高
到 5 mmol/L时其根长不再减小 ,维持在一定的范
围内;根直径则随着锰处理浓度的升高呈先减小
后增大再减小的趋势 ,各处理组与对照相比均没
有显著差异;根体积的变化趋势与根长相一致.美
洲商陆根长在锰处理浓度为 1 mmol/L时与对照
差异不显著 , 5 mmol/L锰处理下根长急剧增加并
达到最大值 ,随着锰浓度的升高又大致呈减小的
趋势 ,但均高于对照;根直径则随着锰处理浓度的
升高而逐渐减小;根体积随着锰处理浓度的升高
先增大后减小 ,在 5 mmol/L锰处理时达到最大
值.美洲商陆根长 、根直径 、根体积在处理 14 d时
变化幅度比小飞蓬的大 ,这可能与其耐锰机制
有关.
(a)根长 (b)根直径
(c)根体积
Duncan′s多重比较 ,不同字母表示均值间差异显著(P<0.05)
图 1　锰对美洲商陆与小飞蓬根系形态的影响
2.2　锰对小飞蓬与美洲商陆根系分泌物中总糖
含量的影响
由图 2可知 , 2种植物根系分泌物中的总糖
含量均随着锰处理浓度的升高而呈先上升后下降
的趋势.小飞蓬和美洲商陆在锰浓度为 5 mmol/L
时 ,其总糖分泌量达到最大 ,与对照相比分别上升
了 56.25%和 142.08%,有显著差异(P<0.05);
之后 ,随着锰处理浓度的升高 ,其总糖含量有所下
降.小飞蓬根系分泌物中总糖含量的变化较美洲
商陆的变化缓和 ,在 10和 15mmol/L2个锰浓度
间其总糖含量无显著差异;而美洲商陆在 5和 10
图 2　锰对美洲商陆与小飞蓬根系总糖含量的影响
324 浙江师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　2010年　
mmol/L2个锰浓度间总糖含量无显著差异.
2.3　锰对小飞蓬与美洲商陆根系分泌物中氨基
酸含量的影响
从图 3可知 ,美洲商陆根系分泌物中氨基酸
含量在各锰处理浓度下均比小飞蓬根系分泌物中
高 ,且随着锰浓度的升高而呈先上升后下降的趋
势 ,在 10 mmol/L锰处理时达到最大值 ,比对照上
升了 82.55%,而在 15 mmol/L锰处理时降到最
低 ,是对照的 68.00%.对于小飞蓬 ,其氨基酸含
量在 1 mmol/L锰处理时与对照相比变化不大 ,当
锰处理浓度升高到 5mmol/L时氨基酸含量下降 ,
达到显著性差异水平 (P<0.05),之后则呈先上
升后下降的趋势.
图 3　锰对美洲商陆与小飞蓬根系氨基酸含量的影响
2.4　锰对小飞蓬与美洲商陆根系分泌物中有机
酸含量的影响
由图 4可知 ,小飞蓬与美洲商陆根系分泌的
有机酸含量随着锰浓度的上升而上升 ,且均在 15
mmol/L锰处理下达到最大值 , 分别是对照的
219.00%与 215.30%.美洲商陆根系分泌的有机
酸含量较同浓度锰处理的小飞蓬的有机酸含量
高.对于小飞蓬 ,有机酸含量在 1和 5 mmol/L锰
图 4　锰对美洲商陆与小飞蓬根系有机酸分泌的影响
处理下显著高于对照 ,在之后较高浓度的锰处理
下变化缓和.而美洲商陆的有机酸含量在
1 mmol/L锰处理下与对照差异不明显 ,在 5和 10
mmol/L锰处理下明显上升 ,与对照相比均达到显
著性差异水平(P<0.05).
3　讨　论
以往对超积累植物美洲商陆的研究主要集中
在植物对锰的富集作用及其营养器官解剖结构的
变化方面[ 12-13] ,锰对美洲商陆根系生长发育的影
响鲜见报道.本文从美洲商陆根系形态 、根系分泌
物对锰胁迫的响应出发进行研究 ,并与非耐锰植
物小飞蓬作对照 ,为揭示超积累植物耐性机理提
供参考.根长 、根体积 、根直径是反映植物根系生
长发育状况的指标.本实验结果表明:大于
1 mmol/L锰处理能促进美洲商陆根系生长 ,根长
增加 、根直径减小 ,说明其作为一种锰超积累植物
在浓度较高的锰处理下其根发展为较细的长根;
而非锰超积累植物小飞蓬 ,随着锰浓度的升高 ,其
根系的生长受到抑制.对 2个物种进行双因素方
差分析 ,也表明超积累植物美洲商陆在重金属胁
迫下已经建立了一套相应的自我适应机制 ,根系
生长与常规植物相比产生了显著变化.本实验结
果与前人研究锌超积累植物 [ 14-15]的结果一致.但
在 10和 15mmol/L锰处理下 ,美洲商陆的根长与
根体积受到抑制 ,但仍高于对照 ,说明锰处理浓度
大于 10 mmol/L时会影响美洲商陆根系生长.文
献 [ 16]对美洲商陆的研究也得到同样的结果.
根系分泌物的组成与含量变化是植物响应环
境胁迫最直接 、最明显的反应.根系分泌物中的总
糖 、氨基酸等是根际微生物的能源和碳源 [ 17] ;有
机酸可以促进金属的溶解和释放 ,提高金属的植
物有效性.据研究 ,超积累植物向根际分泌的有机
酸与其超积累特性有关 ,如 Ni超积累植物 Alys-
sumlesbiacum对 Ni的超积累作用与组氨酸在根
际对 Ni的螯合作用有关 [ 18] .本实验中 ,锰超积累
植物美洲商陆在锰处理下分泌的总糖与氨基酸的
含量大于非耐锰植物小飞蓬 ,且随着锰浓度的升
高而逐渐升高 ,推测超积累植物可能通过改变根
际微生物的组成和活性而改变根际环境中重金属
的数量和活度等 ,形成特殊的微生物区系以适应
325　第 3期　　　　　　　　张健平 , 等:锰对美洲商陆和小飞蓬根系形态及根系分泌物的影响
高锰环境.但在 15 mmol/L锰处理下 ,美洲商陆的
总糖含量与氨基酸含量均有所下降 ,说明过高浓
度的锰处理会抑制两者的根系分泌.美洲商陆与
小飞蓬根系分泌的有机酸含量随着锰处理浓度的
升高而升高 ,这可能是高浓度的锰使植物做出的
应激反应.这些有机酸含有羟基和羧基等功能基
团 ,对溶液中富余的金属离子特别是毒性重金属
离子有较强的络合能力[ 19] , 同时能酸化根际环
境 ,促进重金属的溶解和根系的吸收.推测超富集
植物美洲商陆为了适应高浓度的锰胁迫 ,根系分
泌物中的有机酸在培养液中与锰形成了螯合物 ,
从而增强了其对培养液中锰的吸收;而非超积累
植物小飞蓬分泌有机酸量较少的原因 ,除了对锰
胁迫耐性能力较差外 ,还有可能是在较高浓度的
锰处理下根系生长受到抑制而导致分泌量减少.
根系分泌物是由植物根系不同部位分泌产生
的 ,伸长区是根系分泌物释放的主要部位 [ 6] ,根
系的生长发育状况与根系分泌物浓度联系密切.
从本实验结果可知 ,美洲商陆根长的增加有利于
根系分泌物浓度的增加 ,说明根系分泌物与根系
生长状况是相互联系的.超积累植物为实现其特
异的吸收和积累重金属的能力 ,在根系生长和形
态上产生了适应性的反应 ,这种特有的根系形态
特征可能是其超量积累重金属的重要机制之一.
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(责任编辑　薛　荣)
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