馬 麗,楊盛昌

(1.廈門大學 生命科學學院 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,福建廈門 361005; 2.河北承德石油高等?？茖W校,河北 承德 067000)

Al占地殼組成的8%,在自然界中一般以氧化物和硅酸鹽(如石英、云母等)的形式存在,是地殼中含量最豐富的金屬元素。與其在地殼中的豐富含量對比,海洋中Al的含量在1pg/L 以下,這可能是與硅藻屬植物對Al的富集作用有關; 海水中Al多以Al3+形式存在,自由的Al3+以羥化物的形式沉淀,除了在活火山口和礬礦地帶,自然水源中Al的富集并不顯著[1]。

Al以自然的固態(tài)形式存在時,不會對植被和環(huán)境產(chǎn)生毒害和污染。酸雨是金屬離子釋放的主要途徑,隨著世界范圍內酸雨的影響,鋁、汞、鉛等金屬離子從礦床流失進入淡水,以無機離子態(tài)存在的 Al在土壤中大量滲出,導致土壤富 Al化,成為酸性土壤植物生產(chǎn)力的主要限制因素,直接導致了農作物減產(chǎn)和森林面積退化[1～3]。通過長期的血液透析等研究手段發(fā)現(xiàn),Al對動物和人的健康也產(chǎn)生嚴重毒害作用,如抵抗維生素 D的骨軟化、小紅細胞貧血、帕金森癥等疾病[1]。因此,Al鹽毒害以及植物的耐Al機制成為備受關注的研究熱點之一。

紅樹林是分布在熱帶亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落。紅樹植物具有耐鹽和抗水淹等生理生態(tài)學特性[4,5],對汞、鎘、鉛等重金屬元素有較強的富集作用和耐受特性[6,7],在治理環(huán)境污染上有一定應用前景。國內外學者對紅樹林開展了大量的研究,但有關Al脅迫對紅樹植物影響的報道較少。作者以中國常見的紅樹林樹種之一海蓮(Brugiera sexangula)為材料,研究了Al脅迫對海蓮幼苗中Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等金屬離子的吸收累積和離子間相互作用的影響,并對可能的緩解Al毒害的離子機制進行了探討。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)及Al處理

海蓮成熟胚軸采于海南省文昌市清瀾港紅樹林自然保護區(qū),平均長度8.23 cm±1.04 cm、平均質量12.2 g±0.68 g。將海蓮胚軸于廈門大學生命科學學院溫室內進行砂培。沙礫粒徑2～4 mm,經(jīng)自來水反復沖洗后裝入塑料網(wǎng)盆中,每盆質量約2.5 kg,隨機分組,每盆種植海蓮胚軸 5～6棵。培養(yǎng)液采用Hoagland’s液體培養(yǎng)基,并混合3‰NaCl以保證海蓮生長的生理需鹽,每隔 5d更換一次培養(yǎng)基,每天補充因蒸發(fā)損失的水分。

1個月后采用氯化鋁溶液進行鋁脅迫處理,鋁(Al3+)濃度分別為10、25、50 mmol/L,以未添加鋁鹽的培養(yǎng)基作為對照。每一處理重復4次,隨培養(yǎng)基更換分批次添加氯化鋁,培養(yǎng)期為2個月。

1.2 試驗方法

1.2.1 儀器和試劑

主要儀器為微波消解系統(tǒng)(MARS5)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析系統(tǒng)(ICP-MS 美國 PE公司)。

元素標準樣、硝酸、雙氧水等藥品試劑均為優(yōu)級純,超純水配置相關溶液。

1.2.2 樣品的預處理

收獲海蓮幼苗,并按照葉、莖(含胚軸)、根分組,85℃過夜烘干,然后研磨成干粉樣。準確稱取海蓮各組分干粉樣品 0.100 g,裝入已經(jīng)用硝酸清洗過的消化罐內杯底部,加入4 mL HNO3,使酸完全浸沒樣品,再加入1 mL H2O2,蓋上密封蓋,擰緊外殼壓蓋后放入微波爐中進行消解[8]。消解結束時降溫到 30℃左右,從微波爐中取出消化罐,將溶液轉移至 100 mL容量瓶中,用超純水定容,搖勻備用(置于 4℃冰箱中)。

1.2.3 標準曲線及樣品測定

配置所測金屬元素標準溶液并用超純水稀釋成不同濃度,以超純水為空白,測定并繪制標準曲線。測定不同濃度Al處理后的海蓮各組分樣品Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn 的含量,每個樣品重復3次以上。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。所用軟件為SPSS11.0。

2 結果與分析

2.1 Al在海蓮幼苗各器官中的積累

如圖1所示,鋁鹽處理下,海蓮葉片、莖、根部對Al的積累量均呈現(xiàn)增加趨勢,以根部對Al的積累量增加最為顯著,增幅為 329.63%～521.43%。因此,在Al脅迫下,海蓮根部是積累Al的最重要部位。根對 Al的大量富集,使植株在一定濃度范圍內的 Al脅迫下,減少了 Al向地上部的運輸,從而緩解對葉片的傷害。

海蓮幼苗各器官對Al的富集系數(shù)見表1。從各個器官來看,同一器官對Al的富集系數(shù)均隨著培養(yǎng)液中鋁鹽濃度的提高而呈下降趨勢。在同一鋁鹽濃度下,根部的富集系數(shù)最大,莖部最小,其中,在10 mmol/LAl處理下,根對Al的富集系數(shù)是同質量濃度下莖的4.2倍,葉的2.9倍。

圖1 Al在海蓮幼苗各器官的積累Fig.1 Accumulations of Al in Brugiera sexangula seedlings

表1 海蓮幼苗對Al的富集系數(shù)Tab.1 Al3+ enrichment coefficients of Brugiera sexangula seedlings

2.2 Al對海蓮中Na、K、Mg、Ca積累的影響

如圖2所示,Al處理下,Na在海蓮根部的積累量較對照有顯著增加,而在葉片和莖中的含量變化不顯著。

K在海蓮各器官中的積累量變化不一致。與對照組相比,在10 mmol/L Al處理下根對K的積累有顯著增加,而更高濃度處理時,K在根中的積累量變化不顯著。當Al濃度增至50 mmol/L時,莖中K的積累量顯著增加,而25 mmol/L和50 mmol/L處理時,葉片中K的含量較對照下降。

Mg在海蓮各器官中的積累量變化也不一致,在10 mmol/L和25 mmol/L Al處理下,Mg在根中的積累較對照有所下降,在這兩個濃度處理下,莖和葉對Mg的積累較對照無顯著變化; 在50 mmol/L Al處理下,Mg在莖中的積累反而較對照有顯著增加。

Ca在海蓮各器官的積累情況為：在 25 mmol/L和50 mmol/L處理時,海蓮葉片對Ca的積累顯著下降,但在根部的積累明顯增加,莖中變化不大。

表2結果顯示,10 mmol/L Al處理下,根部的Na/K降低,可能是Al刺激了海蓮根系對K的選擇性吸收所致。但在25 mmol/L和50 mmol/L兩個濃度下,根部的Na/K顯著增加,這可能與海蓮對Na的吸收增強有關。

隨著Al鹽濃度增加,Al/Ca較對照組顯著提高。因此,在高Al濃度下,Ca對Al的緩解作用明顯下降。

表2 海蓮幼苗各器官中Na/K、Al/CaTab.2 Na/K and Al/Ca in Brugiera sexangula seedlings

圖2 Al對海蓮幼苗各器官中Na、Mg、K、Ca的積累的影響Fig.2 Accumulations of Na,Mg,K,Ca in Brugiera sexangula seedlings

2.3 Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn四種微量元素積累的影響

Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn四種微量元素積累的影響見圖3。Al處理下,Mn在海蓮植株各部位的積累量較對照減少。結果說明,Al抑制了根對Mn的吸收積累,相應減少了海蓮地上部位對Mn的積累。

Fe在海蓮葉片、莖中的積累隨Al濃度的增加出現(xiàn)減少趨勢。表明Al抑制了 Fe在海蓮幼苗地上部位的積累。根系僅在50 mmol/L Al處理下對Fe的積累受到顯著抑制,較對照減少了70.1%。

海蓮根部對 Cu的積累量較對照顯著減少; 50 mmol/L Al處理下,莖對Cu的積累則顯著增加; 在葉中 Cu的積累則沒有一定的規(guī)律性,這可能與海蓮對重金屬的富集部位的特異性有關。

Al處理下,Zn在海蓮莖中的積累較對照有顯著增加,葉片和根中對Zn的積累則缺乏規(guī)律性。

3 討論

Al脅迫下海蓮幼苗各器官中金屬元素的積累結果表明,Al在海蓮幼苗各器官的含量均隨著Al處理液濃度的提高而增加; 尤其在根中的增加最為顯著。從 Al在植株的分配來看,兩個月的脅迫處理期中,大量的Al在海蓮根部沉積; 隨Al濃度的增加,根對Al的分配比例增加,可能因為海蓮根部對Al的固定作用,吸收后還沒有運輸?shù)较鄳课?相應地降低了莖和葉中Al的相對含量。根對Al的富集,減輕了Al對莖、葉生長的毒害,也是植物對Al脅迫的一種適應機制。

圖3 Al對海蓮幼苗各器官中Mn、Fe、Cu、Zn的積累的影響Fig.3 Accumulations of Mn,Fe,Cu,Zn in Brugiera sexangula seedlings

Al脅迫下,海蓮根部對Na、K離子吸收有所增加; 雖然根對Mg的吸收有所下降,但Mg向地上部位的運輸并未受到抑制,這與李海生等[9]在研究 Al對茶苗的影響中的報道一致,這說明Al對鈉、鉀、鎂的吸收和運輸?shù)呢撟饔貌淮蟆?/p>

海蓮植株 Ca/Al比下降,鈣的積累在葉片相對減少,這可能是 Al3+阻塞了 Ca2+離子通道所致; 海蓮根中Ca的含量在25 mmol/L和50 mmol/L濃度下,較對照有所增加,可能是根加大了對 Ca的主動吸收以暫時緩解Al毒害。

Mg是植物光合作用和呼吸作用中各種磷酸變位酶和磷酸激酶的活化因子,在 DNA和 RNA的合成過程中也發(fā)揮重要的活化作用。Al的原初毒害是根原生質膜 Ca2+通道受阻,導致根尖細胞 Ca2+凈吸收下降,原生質 Ca2+缺乏,Ca2+平衡破壞,進而影響細胞結構和功能,導致 Mg2+在根系陽離子交換量的飽和度下降,Mg2+的吸收下降,可能是 Al3+競爭了Mg2+在根質外體上的結合位點[10]。

Ca是植物必須營養(yǎng)元素,對維持細胞壁、細胞膜的穩(wěn)定性,調控植物體內酶和陰陽離子平衡具有重要作用。而且作為植物細胞中的第二信使,Ca2+感受、傳遞和響應環(huán)境信號的變化,可能直接調控部分抗氧化酶活力[11]。Al毒害干擾了Ca2+的吸收與平衡,導致了膜脂過氧化,降低了 H+泵活性,抑制了 Ca2+-ATP的活性。已有的研究表明,鈣能減輕酸雨[12]、鹽脅迫[13]和Al毒[14]等多種脅迫對植物的毒害作用。

Al處理下,Mn、Fe、Cu、Zn在海蓮某些器官中的積累有不同程度的減少,但是由于植物對這些微量元素的需求量小,因此受 Al毒的影響很小,表明海蓮根系對Al毒脅迫有較強的適應性。

Fe是植物生長必需的營養(yǎng)元素,在維持細胞內物質代謝、蛋白質合成、葉綠體發(fā)育、酶活性等生理功能方面發(fā)揮重要作用。照光葉綠體中,捕光色素的光氧化反應能產(chǎn)生大量氧自由基,如果缺乏清除機制,會破壞蛋白質和核酸; SOD作為一種保護酶,起重要的清除氧自由基的作用。鐵也是細胞色素蛋白,鐵氧還蛋白,鐵硫基蛋白中不可缺少的元素,缺鐵將導致光合作用系統(tǒng)Ⅱ的反應中心蛋白質含量顯著下降[15]。

Mn作為 SOD酶的結合因子也會干擾酶活性的變化; 在糖酵解和三羧酸循環(huán)中作為酶活化劑可以提高呼吸速率,還是硝酸還原酶的活化劑。

研究結果表明,Al抑制了海蓮對鐵和錳的吸收和運輸,可能導致SOD、CAT活性及某些功能蛋白等一系列生理生化指標受到不同程度的影響。

Cu和 Zn是植物生長所需的微量營養(yǎng)元素,是多種氧化酶活性的核心,參與電子的接受與傳遞,在植物體內的氧化還原反應中起重要作用,與葉綠素的形成以及碳水化合物、蛋白質的合成有密切關系,還能提高植物的呼吸強度[16]。

過量的Cu和Zn也是環(huán)境污染元素,在不同濃度Al處理下,隨著基質中金屬元素含量的變化,海蓮根系對Cu、Zn的富集力也呈不同的變化趨勢,說明同一植物在同一基質中對不同金屬元素的滯留能力不同。余國泰等[17]發(fā)現(xiàn)Al毒害對小麥吸收Zn的影響不大,陳文榮等[10]研究Al對蕎麥吸收運輸營養(yǎng)元素時,也發(fā)現(xiàn)Al對Cu、Zn等微量元素的影響很小 ;本研究中,Al抑制海蓮根部對Cu的吸收,而根對Zn的吸收受Al的影響變化不規(guī)律的相關機制有待進行更深入的探討。

[1]Martin R B.Aluminum：A neurotoxin product of acid rain [J].Acc Chem Res,1994,27：204-210.

[2]Delhaize E,Ryan P R.Uptake on environmental stress：aluminum toxicity and tolerance in plants [J].Plant Physiol,1995,107：2315-2321.

[3]孔繁翔,桑偉蓮,蔣新,等.鋁對植物毒害及植物抗鋁作用機理[J].生態(tài)學報,2000,20(5)：855-862.

[4]張宜輝,王文卿,林鵬.短時間和長時間鹽度對木欖幼苗生長及葉片膜脂過氧化作用的研究[J].水生生物學報,2004,28(2)：186-190.

[5]陳鷺真,王文卿,林鵬.潮汐淹水時間對秋茄幼苗生長的影響[J].海洋學報,2005,27(2)：141-147.

[6]林鵬,陳榮華.九龍江口紅樹林對汞的循環(huán)和凈化作用[J].海洋學報,1989,11(2)：242-247.

[7]楊盛昌,吳琦.Cd對桐花樹幼苗生長及某些生理特性的影響[J].海洋環(huán)境科學,2003,22(1)：38-42.

[8]張昕,趙永和.微波消解 ICP-AES法測定植株金屬元素含量的研究[J].河南科學,2005,23(5)：675-678.

[9]李海生,張志權.不同鋁水平下茶對鋁及礦質養(yǎng)分的吸收與累積[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(1)：186-190.

[10]陳文榮,劉鵬,黃朝表,等.鋁對蕎麥鋁和其他營養(yǎng)元素運輸?shù)挠绊慬J].水土保持學報,2006,20(3)：173-176.

[11]Gong M,Chen S N,Song Y Q,et al.Effect of calcium and calmodulin on intrinsic heat tolerance in relation to antioxidant system in maize seedlings [J].Plant Physil,1997,24：371 - 379.

[12]何龍飛,沈振國,劉友良.鋁脅迫下鈣對小麥根系細胞質膜ATP 酶活性和膜脂組成的效應[J].中國農業(yè)科學,2003,36(10)：1139-1142.

[13]羅虹,劉鵬,李淑.硅、鈣對水土保持植物蕎麥鋁毒的緩解效應[J].水土保持學報,2005,19(3)：101-104.

[14]沈宏,嚴小龍.鋁對植物的毒害和植物抗鋁毒機理及其影響因素[J].土壤通報,2001,32(6)：281-285.

[15]Green R M,Geider R J,Falkowski P G.Effect of iron-limitation on photosynthesis in a marine diatom [J].Limnol Oceanogr,1991,36：1772-1782.

[16]李紅敬,謝素霞.銅對紫背浮萍的影響[J].廣西植物,2006,23(4)：362-366.

[17]余國泰,秦遂初.有機肥緩解小麥鋁毒效果的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,1998,4(1)：57- 62.