吳桂容，洪華龍，嚴(yán)重玲*

( 1．濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))，福建廈門361102; 2．賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542800)

?

S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響

吳桂容1，2，洪華龍1，嚴(yán)重玲1*

( 1．濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))，福建廈門361102; 2．賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542800)

摘要:本研究以紅樹植物桐花樹( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco)為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)栽培試驗(yàn)研究硫( S)對(duì)砷( As)脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響．As含量設(shè)為－As( 0 mg/kg)和+As( 60 mg/kg) 2個(gè)處理，而S含量設(shè)為－S( 0 g/ kg)、+S( 1 g/kg)和+HS( 2 g/kg) 3個(gè)處理．結(jié)果表明:在－As處理組中，桐花樹幼苗根、葉中非蛋白巰基( NPT)、谷胱甘肽( GSH)和植物絡(luò)合素( PCs)等巰基化合物的含量均隨著S的施入而有顯著升高( p＜0．05) ; +As處理組桐花樹幼苗根、葉中NPT和PCs含量在－S、+S、+HS處理下均要顯著高于－As處理組( p＜0．05) ;在+As處理組中，桐花樹幼苗根、葉中的NPT和葉中PCs含量隨著S的施入顯著升高( p＜0．05)，且根中PCs含量與As含量呈顯著正相關(guān)( r= 0．82，p＜0．05)．上述結(jié)果說(shuō)明As的脅迫和S的施入均能促進(jìn)巰基化合物的合成，顯著提高As脅迫下的桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物特別是PCs的含量．S在紅樹植物As抗性中具有重要作用，在As污染下的紅樹林濕地中施入S可以通過(guò)巰基化合物代謝提高紅樹植物對(duì)As的抗性．

關(guān)鍵詞:硫;砷;桐花樹;巰基化合物

紅樹林是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落，其在維持生態(tài)平衡和保護(hù)環(huán)境方面起著重要的作用［1］．紅樹林濕地位于海陸交匯的河口海灣地帶，河口交通、污水排放等使其重金屬和類金屬污染日益加重，紅樹林濕地沉積物同時(shí)作為污染物的匯和源［2］．砷( As)是一種普遍存在、高毒性的類金屬元素，其對(duì)海洋環(huán)境的影響不可忽視，并能通過(guò)食物鏈最終對(duì)人類健康造成嚴(yán)重威脅［3］．紅樹植物對(duì)As污染具有高度的容忍性，且呈現(xiàn)出一定的富集趨勢(shì)，近年來(lái)，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)As污染研究逐漸成為紅樹林污染研究的熱點(diǎn)［4－5］．

紅樹林濕地沉積物中具有高硫( S)含量的特點(diǎn)［6］．S是植物的必需元素，是多種蛋白質(zhì)和酶的重要組分，在植物抗性中有著重要的作用．研究表明，S在水稻［7］、黑藻［8］等多種植物的As生物有效性、累積和抗性中均發(fā)揮著重要的作用．As在植物體內(nèi)的解毒途徑主要是通過(guò)含S的化合物來(lái)實(shí)現(xiàn)的，特別是非蛋白巰基( non－protein thiols，NPT)、谷胱甘肽( glutathione， GSH)和植物絡(luò)合素( phytochelatins，PCs)等巰基化合物［9］．

目前，紅樹植物As抗性研究主要限于單因素栽培實(shí)驗(yàn)，但鑒于紅樹林濕地沉積物中高S含量及S在植物抗性中的作用，有必要進(jìn)行多方位的復(fù)合研究．桐花樹( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco)是我國(guó)主要的紅樹樹種之一．本文通過(guò)研究S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響，探討巰基化合物對(duì)S的響應(yīng)是否是緩解桐花樹As脅迫的機(jī)制之一，科學(xué)評(píng)價(jià)S在紅樹植物As抗性中的作用．

1材料與方法

1. 1供試植物與土壤

桐花樹胚軸于2011年7月采自福建省龍海縣浮宮鎮(zhèn)草埔頭村九龍江口紅樹林自然保護(hù)區(qū)南岸桐花樹林( 24．40°N，117．92°E)，經(jīng)0．1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高錳酸鉀溶液浸泡1．5 h表面消毒后，挑選無(wú)病蟲害且大小成熟度相近的種苗用于暴污栽培實(shí)驗(yàn)．供試土壤取自同一地點(diǎn)的根際表層( 0～20 cm)，在移去殘枝、石子、貝殼等雜物后充分混勻，測(cè)定沉積物基礎(chǔ)理化性質(zhì)．總As含量為( 18．78±0．25) mg/kg，總S含量為( 0．17±0．01) g/kg，總氮含量為( 1．28±0．08) g/kg，總磷含量為( 1．00±0．05) g/kg，總鉀含量為( 21．02± 0．27) g/kg，pH為7．21±0．01．

1. 2栽培試驗(yàn)

將Na2HAsO4·7H2O(分析純)配制成的溶液與硫磺施入土壤，攪拌均勻，活化一個(gè)月后分裝于直徑20 cm、高25 cm的塑料桶中，每桶土2．5 kg．根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，As含量設(shè)為－As( 0 mg/kg)和+As( 60 mg/kg) 2個(gè)處理，S含量設(shè)為－S( 0 g/kg)、+S( 1 g/kg)和+HS( 2 g/kg) 3個(gè)處理，共設(shè)6個(gè)處理組，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)．于2011年7月13日開(kāi)始培養(yǎng)，每桶種植3棵胚軸，置于自然透光的溫室大棚中培養(yǎng)，每周進(jìn)行補(bǔ)水并觀察記錄各處理組的生長(zhǎng)情況．培養(yǎng)中植株未出現(xiàn)明顯的As毒害癥狀，培養(yǎng)期為一年．

1. 3分析測(cè)試方法

栽培試驗(yàn)進(jìn)行一年后，收獲植株，用去離子水洗凈．參照Rama Devi等［10］的方法分別測(cè)定根、葉中NPT 和GSH的含量，兩者之差即為PCs含量，以鮮質(zhì)量( FW)表示［11］．幼苗根、葉中As的含量采用原子吸收光譜儀( AAS; AA－6800，Shimadzu，Kyoto)進(jìn)行測(cè)定，以干質(zhì)量( DW)表示．

1. 4統(tǒng)計(jì)分析方法

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均以3個(gè)重復(fù)處理的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示．采用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理和作圖，SPSS 19．0軟件進(jìn)行單因素方差分析、多重比較分析和相關(guān)性分析．p＜0．05表明差異顯著．

圖1 S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中NPT含量的影響Fig．1 Effect of S supply on NPT content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

2結(jié)果與分析

2. 1 S對(duì)As脅迫下幼苗NPT含量的影響

如圖1所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中NPT含量在+HS處理下顯著高于－S和+S處理( p＜0．05) ; 在+As處理組中，幼苗根中NPT含量在+HS和+S處理下顯著高于－S處理( p＜0．05)，葉中NPT含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ; +As處理組幼苗根、葉中NPT含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，分別為－As處理組的1．19～1．78倍和1．52～2．16倍．

2. 2 S對(duì)As脅迫下幼苗GSH含量的影響

如圖2所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中GSH含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ;在+As處理組中，幼苗根中GSH含量在+HS處理下顯著高于+S和－S組，且在－S、+ S和+ HS處理下均顯著低于－As處理組( p＜0．05)，而葉中GSH含量隨著S含量的升高先升高后降低，且在－S和+S處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)．

2. 3 S對(duì)As脅迫下幼苗PCs含量的影響

如圖3所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中PCs含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ;在+As處理組中，幼苗根中PCs含量隨著S含量的升高而未見(jiàn)顯著差異( p＞0．05)，且+As處理組根PCs含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，為－As處理組的1．34～2．55倍;而幼苗葉中PCs含量隨著S含量的升高而升高，在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05)，且+As處理組葉中PCs含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，為－As處理組的1．71～2．39倍．

圖2 S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中GSH含量的影響Fig．2 Effect of S supply on GSH content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

圖3 S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中PCs含量的影響Fig．3 Effect of S supply on PCs content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

2. 4 S對(duì)As脅迫下幼苗As含量的影響

如圖4所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中As含量隨著S含量的升高先升高后降低，高值均出現(xiàn)在+S處理組(根、葉中As含量分別為－S處理組的2．20和2．81倍)，且根中－S和+HS處理組間未見(jiàn)顯著差異( p＞0．05) ;在+As處理組中，幼苗根、葉中As含量也隨著S含量的升高先升高后降低，高值均出現(xiàn)在+S處理組(根、葉中As含量分別為－S處理組的2．19和1．47倍)，但+HS處理組均顯著高于－S處理組( p＜0．05) ; As主要在幼苗根中蓄積，－As處理組根中As含量為葉的31．65～50．64倍，而+As處理組根中As含量為葉的126．37～192．25倍; +As處理組根、葉中As含量在－S、+S和+HS處理下(葉中+S組除外)均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，分別為－As處理組的4．94～7．62和1．02～1．95倍，其中根中的差別要顯著大于葉( p＜0．05)．

圖4 S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中As含量的影響Fig．4 Effect of S supply on As content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

3討論

紅樹植物對(duì)As脅迫具有較高的耐受性，其對(duì)As的蓄積主要集中在根部，較少向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)［4］．在紅樹植物體內(nèi)，巰基化合物對(duì)重金屬污染也有著積極的響應(yīng)［12］．覃光球［13］關(guān)于紅樹植物桐花樹幼苗PCs對(duì)重金屬響應(yīng)的研究指出，巰基化合物特別是PCs能與重金屬絡(luò)合，從而降低重金屬對(duì)植物的毒害作用．植物體內(nèi)的巰基化合物是植物對(duì)重金屬的重要解毒機(jī)制，其常被用作植物應(yīng)對(duì)重金屬污染的特異標(biāo)志物［14］．S是巰基化合物的重要合成底物，S的施入促進(jìn)植物巰基化合物的合成，在As污染的土壤中施加S能顯著提高植物對(duì)As的抗性［15］．竇揚(yáng)揚(yáng)［16］關(guān)于S對(duì)As脅迫下紅樹植物秋茄幼苗巰基化合物影響的研究也指出，S誘導(dǎo)的巰基化合物含量增加促進(jìn)秋茄幼苗對(duì)As的累積并增加其對(duì)As的抗性．吳桂容［17］的前期研究指出，在As污染的土壤中施加S能夠增加紅樹植物桐花樹幼苗中的巰基化合物含量，從而提高桐花樹對(duì)As的抗性．

在本研究中，－As處理組桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物( NPT、GSH和PCs)的含量均隨著S含量增加而有顯著升高( p＜0．05)，表明S的施入能促進(jìn)巰基化合物的合成，這與前人對(duì)其他物種的研究結(jié)果［7，18］是一致的．+As處理組桐花樹幼苗根、葉中NPT和PCs含量要顯著高于－As處理組( p＜0．05)，表明As脅迫對(duì)植株巰基化合物的合成有促進(jìn)作用．+As處理組桐花樹幼苗根中的GSH含量要低于－As組( p＜0．05)，可能的原因在于GSH既與重金屬絡(luò)合形成重金屬－GSH絡(luò)合物又是PCs合成的重要底物［19］，其消耗量較大．在+As處理組中S的施入顯著提高了桐花樹幼苗根、葉中的NPT和PCs含量( p＜0．05)，且根中的PCs含量與As含量顯著正相關(guān)( r = 0．82，p＜0．05)．PCs作為巰基化合物中最重要的重金屬絡(luò)合物質(zhì)，其含量與總NPT含量直接相關(guān)，并在桐花樹幼苗中As的絡(luò)合、固定中具有重要的作用［13，16－17］．

此外，桐花樹幼苗根、葉中NPT、PCs含量在+As處理組中對(duì)比－As處理組的增加幅度，在－S處理下相差不大，在+S、+HS處理下根中的增加幅度要顯著低于葉;而根GSH含量在+As處理組均低于－As處理組，但葉GSH含量則有一定的增加．在+As處理組中，根NPT含量在+S和+HS處理間未見(jiàn)顯著上升，根PCs含量也未隨著S的施入顯著升高( p＞0．05) ;而葉NPT、PCs含量均隨著S處理濃度的升高而顯著升高( p＜0．05)．上述結(jié)果說(shuō)明桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物含量對(duì)As脅迫有不同的響應(yīng)模式．本研究中，As主要蓄積在桐花樹幼苗根部，在－As、+As處理組根中As含量分別為葉的31．65～50．64和126．37～192．25倍．巰基化合物主要在根中與As絡(luò)合，根中的巰基化合物消耗量極大;而葉中As含量顯著低于根，葉中巰基化合物特別是PCs的消耗量要顯著低于根，其含量均隨著S的施入有顯著升高( p＜0．05)，且+As處理組對(duì)比－As處理組的增加幅度在不同S含量下基本保持一致．根是植株As吸收的第一道屏障，根中的巰基化合物將As固定在根部的減輕游離As對(duì)植株的毒害，并可減少As向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，葉中的As含量變化體現(xiàn)了這一趨勢(shì);而葉中的巰基化合物含量隨著S含量的升高而升高，能絡(luò)合As從而減輕As對(duì)葉的毒害，說(shuō)明S的施入能促進(jìn)植株體內(nèi)的巰基化合物合成以增強(qiáng)植株對(duì)As的抗性．

綜上，S的施入可促進(jìn)桐花樹幼苗體內(nèi)巰基化合物的合成，從而提高植株對(duì)As的抗性．S在紅樹植物As抗性中具有重要作用，在As污染下的紅樹林濕地中施入S可以通過(guò)巰基化合物代謝提高紅樹植物對(duì)As的抗性．

參考文獻(xiàn):

［1］林鵬．中國(guó)紅樹林研究進(jìn)展［J］．廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，40( 2) : 592－603．

［2］LEWIS M，PRYOR R，WILKING L．Fate and effects of anthropogenic chemicals in mangrove ecosystems: a review［J］．Environmental Pollution，2011，159( 10) : 2328－2346．

［3］KIRBY J，MAHER W，CHARITON A，et al．Arsenic concentrations and speciation in a temperate mangrove ecosystem，NSW，Australia［J］．Applied Organometallic Chemistry，2002，16( 4) : 192－201．

［4］LIU C W，CHEN Y Y，KAO Y H，et al．Bioaccumulation and translocation of arsenic in the ecosystem of the Guandu Wetland，Taiwan［J］．Wetlands，2014，34( 1) : 129－140．

［5］MANDAL S K，DEY M，GANGULY D，et al．Biogeochemical controls of arsenic occurrence and mobility in the Indian Sundarban mangrove ecosystem［J］．Marine Pollution Bulletin，2009，58( 5) : 652－657．

［6］林慧娜，傅嬌艷，吳浩，等．中國(guó)主要紅樹林濕地沉積物中硫的分布特征及影響因素［J］．海洋科學(xué)，2009，33( 12) : 79－82．

［7］FAN J L，XIA X，HU Z Y，et al．Excessive sulfur supply reduces arsenic accumulation in brown rice［J］．Plant，Soil and Environment，2013，59( 4) : 169－174．

［8］SRIVASTAVA S，D'SOUZA S F．Increasing sulfur supply en－h(huán)ances tolerance to arsenic and its accumulation in Hydrilla verticillata ( Lf) Royle［J］．Environmental Science＆Technology，2009，43( 16) : 6308－6313．

［9］MISHRA S，SRIVASTAVA S，TRIPATHI R D，et al．Thiol metabolism and antioxidant systems complement each other during arsenate detoxification in Ceratophyllum demersum L．［J］．Aquatic Toxicology，2008，86( 2) : 205－215．

［10］RAMA DEVI S，PRASAD，M N V．Copper toxicity in Ceratophyllum demersum L．( Coontail)，a free floating macrophyte: Response of antioxidant enzymes and antioxidants ［J］．Plant Science，1998，138( 2) : 157－165．

［11］GRILL E，WINNACKER E L，ZENK M H．Phytochelatins: the principal heavy－metal complexing peptides of higher plants［J］．Science，1985，230( 4726) : 674－676．

［12］WENG B S，XIE X Y，WEISS D J，et al．Kandelia obovata ( S．，L．) Yong tolerance mechanisms to cadmium: subcellular distribution，chemical forms and thiol pools［J］．Marine Pollution Bulletin，2012，64( 11) : 2453－2460．

［13］覃光球．桐花樹幼苗植物絡(luò)合素和植物多酚對(duì)重金屬的響應(yīng)［D］．廈門:廈門大學(xué)，2007: 21－41．

［14］USUKI F，F(xiàn)UJIMURA M．Decreased plasma thiol antioxidant barrier and selenoproteins as potential biomarkers for ongoing methylmercury intoxication and an individual protective capacity［J］．Archives of Toxicology，2015，89( 1) : 1－10．

［15］ZHAO F J，MCGRATH S P，MEHARG A A．Arsenic as a food chain contaminant: mechanisms of plant uptake and metabolism and mitigation strategies［J］．Annual Review of Plant Biology，2010，61: 535－559．

［16］竇揚(yáng)揚(yáng)．S對(duì)As脅迫下秋茄幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及巰基化合物的影響［D］．廈門:廈門大學(xué)，2011: 36－44．

［17］吳桂容．S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗生長(zhǎng)和生理的影響［D］．廈門:廈門大學(xué)，2014: 65－75．

［18］NIKIFOROVA V J，KOPKA J，TOLSTIKOV V，et al．Systems rebalancing of metabolism in response to sulfur deprivation，as revealed by metabolome analysis of Arabidopsis plants［J］．Plant Physiology，2005，138( 1) : 304－318．

［19］BRAEUTIGAM A，SCHAUMLOEFFEL D，PREUD' HOMME H．Physiological characterization of cadmium－exposed Chlamydomonas reinhardtii［J］．Plant，Cell＆Environment，2011，34( 12) : 2071－2082．

Influence of Sulfur Supply on Thiols in Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco Under As Stress

WU Guirong1，2，HONG Hualong1，YAN Chongling1*

( 1．Key Laboratory of the Ministry of Education for Coastal and Wetland Ecosystems，Xiamen University，Xiamen 361102，China; 2．College of Chemical and Biological Engineering，Hezhou University，Hezhou 542800，China)

Abstract:The influence of sulfur ( S) supply on arsenic ( As) tolerance and its accumulation in mangrove ( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco) were evaluated through pot experiments，which were carried out under no As (－As，0 mg/kg) or under As ( +As，60 mg/kg) and varied with three levels of S，－S ( 0 g/kg)，+S ( 1 g/kg) and+HS ( 2 g/kg)．Results showed that in－As treatments the level of thiols ( NPT，GSH and PCs) in roots and leaves of A．corniculatum seedlings increased significantly with S supply ( p＜0．05)，while the levels of NPT and PCs in roots and leaves of A．corniculatum seedlings in+As treatments increased more significantly than those in－As treatments ( p＜0．05)．S supply in+As treatments increased the level of NPT and PCs in roots and the level of PCs in leaves of A．corniculatum seedlings ( p＜0．05)．Besides，the level of PCs in roots was positively related with the level of As in roots ( r=0．82，p＜0．05)．The results showed that，As stress and S supply could induced the synthesis of thiols，and S supply to A．corniculatum seedlings under As stress could enhanced the synthesis of thiols ( especially PCs)．In conclusion，S play an important role in As resistance for mangrove plants，and the supply of S to mangrove wetlands would enhance the resistance of mangrove to As through thiols metabolism．

Key words:arsenic; sulfur; Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco; thiols

*通信作者:ycl@ xmu．edu．cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目( 31530008) ;國(guó)家自然科學(xué)基金( 31370516，31170471)

收稿日期:2015－07－08錄用日期: 2015－09－09

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．010

中圖分類號(hào):Q 494

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438－0479( 2016) 01－0055－05

引文格式:吳桂容，洪華龍，嚴(yán)重玲．S對(duì)As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響［J］．廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，55( 1) : 55－59．

Citation: WU G R，HONG H L，YAN C L．Influence of sulfur supply on thiols in Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco under As stress［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 55－59．( in Chinese)