張鳳琳 姚頓 楊兆光

摘 要：為探究砷脅迫下砷在生菜中的遷移轉(zhuǎn)化過程及其對營養(yǎng)元素含量的影響，通過三價砷（As（III））脅迫實驗研究了各形態(tài)砷和營養(yǎng)元素在生菜中的分布特征。結(jié)果表明，生菜根部和葉部都僅檢測到了As（III）和五價砷（As（V）），其中As（III）為主要砷形態(tài)，分別在根和葉中占75%～85%、83%～87%。隨著脅迫濃度的升高，根中As（III）含量逐漸達(dá)到飽和，而As（V）含量逐漸升高，葉中的As（III）和As（V）含量都顯著升高。在高濃度脅迫下（10mg/L），BCFleaf/root突增3.7倍。與對照組相比，脅迫組根和葉中和Fe和Cu元素的含量并無顯著變化，葉中Mn和Zn元素含量并無顯著變化，根中Mn元素含量顯著降低，根中Zn元素含量隨脅迫濃度升高呈現(xiàn)出先升高后降低在升高的變化趨勢。說明根對As（III）的固定能力具有極限，當(dāng)超過該極限時植物無法控制As（III）向地上部分的遷移。另外，砷脅迫會影響Mn和Zn在根中的分布，生菜可以通過調(diào)控Mn和Zn的遷移來控制這些元素在葉中分布。

關(guān)鍵詞：砷;生菜;遷移轉(zhuǎn)化;營養(yǎng)元素

中圖分類號 S636.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）05-0018-04

The Migration and Transformation Process of Arsenic and its Effect on Nutrient Content in Lettuce under Arsenic Stress

Zhang Fenglin et al.

（Center for Environment and Water Resources， Central South University， Changsha 410083， China）

Abstract： To explore the migration and transformation process of arsenic and its effect on nutrient elements in lettuce under arsenic stress， the distribution characteristics of arsenic and nutrient elements in lettuce were studied through arsenic trivalent （As （III）） stress experiment. The results showed that only As（III） and pentavalent arsenic （As（V）） were detected in the roots and leaves of lettuce， and As（III） was the main form of arsenic， accounting for 75-85% and 83-87% in the roots and leaves， respectively. With the increase of stress concentration， the content of As（III） in roots gradually reached saturation， while the content of As（V） gradually increased， and the content of As（III） and As（V） in leaves significantly increased. Under high concentration stress （10mg/L）， BCFleaf/root increased by 3.7 times. Compared with the control group， the content of Fe and Cu in the root and leaves of the stress group did not change significantly， the content of Mn and Zn in the leaves did not change significantly. The content of Mn in the root decreased significantly， and the content of Zn in the root increased firstly， then decreased and then increased with the increase of stress concentration. The Studies have indicated that roots possess a limit to the fixation capacity of As（III）， and when this limit is exceeded， the plant cant control the migration of As（III） to the aboveground part. In addition， arsenic stress can affect the distribution of Mn and Zn in roots. Lettuce can control the distribution of these elements in leaves by regulating the migration of Mn and Zn.

Key words： Arsenic; Lettuce; Migration and transformation; Nutrient elements

1 引言

由于自然因素和工業(yè)活動，大量的As被釋放到環(huán)境中，對環(huán)境造成污染[1]。目前，環(huán)境中的砷污染日益嚴(yán)重，已成為了全球性的問題。由于其毒性，As污染會影響植物的正常生長，降低其產(chǎn)量，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致植物死亡[2]。

據(jù)報道，植物將環(huán)境中As吸收到根部后，一部分As經(jīng)由輸導(dǎo)組織遷移到植物地上部分，并伴隨著各形態(tài)As之間的轉(zhuǎn)化過程，最終導(dǎo)致不同形態(tài)砷在植物各部分的累積[3-4]。砷在植物中富集會對植物產(chǎn)生毒害作用，影響營養(yǎng)元素的吸收，改變營養(yǎng)元素在植物體內(nèi)的分布，進(jìn)一步影響營養(yǎng)元素的代謝平衡，對植物體的生長發(fā)育造成危害。研究發(fā)現(xiàn)，100mg/kg的砷脅迫在一定程度上會抑制黑麥草的生長，但根系中N、P、K、Mn含量升高，葉片中營養(yǎng)元素含量的變化與黑麥草的基因型有關(guān)，高砷吸收能力品種的葉片中P、K、Mn、Mg含量降低，而N、Ca含量上高[5-6]。另有研究指出，砷脅迫會抑制小麥根系的生長，低濃度脅迫（5～10mg/L）根中P、K、Mg、和Cu的含量較對照組升高，而高濃度（15～20mg/L）根中P、Mn和Zn的含量較對照組升高[7]。

在眾多蔬菜中，生菜（Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）隸屬菊科植物的具有較高的砷富集能力與耐受能力[8]。為此，本研究以生菜為實驗材料，通過檢測在三價砷（As（III））脅迫下其體內(nèi)砷形態(tài)和營養(yǎng)元素含量，分析As（III）脅迫下As在生菜體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程，并探究其對營養(yǎng)元素平衡的影響，為進(jìn)一步揭示砷對植物的毒害機(jī)理提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗材料 生菜種子購自市場，土壤為丹麥品氏基質(zhì)。

2.2 實驗處理 使用含有效氯1%的次氯酸鈉溶液對生菜種子消毒30min，隨后使用超純水（up水）沖洗干凈并浸泡30min。將生菜種子種植于花盆中，定期補(bǔ)充up水，30d后選取長勢一致的植株轉(zhuǎn)移至含100%霍格蘭營養(yǎng)液的水培箱中，每2d更換培養(yǎng)液。適應(yīng)7d后，將植株轉(zhuǎn)移至含有As（III）的營養(yǎng)液中進(jìn)行脅迫實驗，脅迫濃度為0mg/L（對照組）、0.5mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L。脅迫24h后將對照組和各實驗組生菜分為根和葉進(jìn)行收獲。

2.3 砷含量及營養(yǎng)元素測定 將生菜樣品凍干后研磨成粉末，稱取0.1g樣品置于HNO3+H2O2體系中（4∶1），使用微波消解儀按15min，120°C;15min，120°～190°C;30min，190°C的程序進(jìn)行消解。消解完全后定容至25mL，并儲存于4°C待測。As、Cu含量使用ICP-MS進(jìn)行檢測，Mn、Zn、Fe含量使用ICP-OES進(jìn)行檢測。

2.4 砷形態(tài)測定 稱取0.1g樣品于消解罐中，加入20mL 1%的HNO3，在90°C下萃取90min，待萃取結(jié)束，樣品冷卻至室溫后定容至50mL，并儲存于4°C待測。砷形態(tài)通過HPLC-ICPMS進(jìn)行檢測。

2.5 數(shù)據(jù)處理 使用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運用SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析（p<0.05），使用Origin 9.1作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 根和葉中砷的含量 由圖1可知，根中砷含量遠(yuǎn)高于葉中，并且根和葉中砷的含量都隨著脅迫濃度的升高而逐漸升高。當(dāng)脅迫濃度高于2mg/L時，根中砷含量并無顯著性變化，而葉中砷含量隨著脅迫濃度的升高而顯著升高。由圖2可知，砷從根向葉的遷移系數(shù)（BCFleaf/root）隨著脅迫濃度的升高先顯著下降后顯著升高，當(dāng)砷脅迫濃度為2mg/L時達(dá)到極小值?？梢姡S著脅迫濃度的升高砷從根向葉的轉(zhuǎn)運先下降后升高。

3.2 根和葉中砷的形態(tài) 如圖3所示，根和葉中都檢測到了As（III）和As（V），其中As（III）占為主要砷形態(tài)（在根中占75%～85%，在葉中占83%～87%）。隨著脅迫濃度的升高，根中As（III）含量顯著升高，當(dāng)脅迫濃度高于2mg/L時，根中As（III）含量雖然升高，但變化并不顯著。與此不同，根中As（V）含量隨著脅迫濃度升高而顯著升高。葉中As（III）和As（V）含量都隨著脅迫濃度升高而顯著升高?？梢?，隨著脅迫濃度的升高，根中As（III）的含量逐漸達(dá)到飽和。

3.3 根和葉中營養(yǎng)元素的含量變化 As（III）脅迫下生菜根和葉中Mn、Zn、Fe、Cu含量如表1所示。這些營養(yǎng)元素在根和葉中的變化趨勢并不相同，并且根中的含量遠(yuǎn)高于葉中。Mn元素在砷脅迫組生菜根中的含量顯著低于對照組生菜根中的含量，但砷脅迫組葉片與對照組葉中的Mn含量并無顯著差異。0.5mg/L脅迫濃度下，根中Zn含量顯著高于對照組，隨著脅迫濃度的升高，根中Zn含量先降低后升高。與Mn元素的變化相似，砷脅迫組葉片與對照組葉中的Zn含量并無顯著差異。Fe元素和Cu元素在脅迫組中的含量與對照組相比并無顯著差異。

4 討論

4.1 砷在生菜中的遷移轉(zhuǎn)化 植物對砷的吸收取決于砷的形態(tài)，As（III）可經(jīng)由水通道蛋白被植物根部所吸收，As（V）可經(jīng)由細(xì)胞膜上的磷酸根轉(zhuǎn)運蛋白被植物所吸收[9]。本研究以As（III）對生菜進(jìn)行脅迫，但在根部同時檢測到As（III）和As（V）2種砷形態(tài)。根部檢測到As（V）可能有以下2個原因：其一，As（III）在生菜根部被氧化成As（V）;其二，As（III）在培養(yǎng)液中被氧化成As（V），再被生菜根部所吸收。同時，As（V）也可以在植物體內(nèi)被還原為As（III）[10]。因此，在生菜根部可能存在著As（III）與As（V）的相互轉(zhuǎn)化過程。As（III）對巰基具有很強(qiáng)的親和力，可以與含巰基的蛋白結(jié)合，植物對As（III）解毒的主要途徑之一便是合成谷胱甘肽（GSH）或植物絡(luò)合素（PCs）與As（III）絡(luò)合形成As（III）-巰基絡(luò)合物并轉(zhuǎn)移至液泡當(dāng)中隔離起來[11]。本研究中，當(dāng)脅迫濃度升高至2mg/L時，根中As（III）含量不再顯著升高，表明在高濃度砷脅迫下，谷胱甘肽（GSH）和植物絡(luò)合素（PCs）的合成能力達(dá)到最大，根對As（III）的固定逐漸達(dá)到飽和，無法有效地限制As（III）向地上部分的運輸，因此，在2～10mg/L脅迫下葉中As（III）含量的增加高于低脅迫濃度下葉中As（III）含量的增加。由于As（III）在根和葉中為主要砷形態(tài)，因此，在10mg/L時BCFleaf/root突增3.7倍，并且在2～10mg/L脅迫下，根中As含量的變化也無顯著差異。

4.2 砷脅迫對營養(yǎng)元素的影響 Mn、Zn、Fe、Cu是植物生長所必需的微量元素，參與多個新陳代謝過程中。Mn不但作為葉綠素的重要組成分參與到植物的光合作用中，還可作為多種酶的活化劑參與到植物體內(nèi)的生理過程中[12]。Zn在植物體內(nèi)主要是用于合成光合作用、呼吸作用、氮代謝、激素合成和植物生長所需的各種酶，還可以起到抑制RNA水解酶活性穩(wěn)定核糖體和維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的作用[13]。Fe在植物體內(nèi)可以參與葉綠素的合成或形成鐵氧化還原蛋白參與到光合作用中，還參與體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)和電子傳遞過程[14]。Cu在植物體內(nèi)不但參與葉綠素、碳水化合物和蛋白質(zhì)的合成，還參與電子傳遞過程[15]。為了考察三價砷脅迫是否會影響這些營養(yǎng)元素的吸收和分布，本研究對根和葉中Mn、Zn、Fe、Cu的含量進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，砷的攝入會顯著降低根中Mn的含量，但并未對葉中Mn含量造成顯著影響，因此砷的攝入會降低生菜對Mn元素的吸收，并且促進(jìn)了Mn從根向葉的遷移。這可能是因為相較于根部，植物葉片的生理過程更需要Mn元素的參與。與此類似，Zn元素含量在生菜根和葉中的含量變化表明，低濃度砷脅迫會促進(jìn)植物對Zn元素的吸收，隨著脅迫濃度的升高這種促進(jìn)作用變?yōu)橐种谱饔?，?dāng)脅迫濃度進(jìn)一步升高時，抑制作用又逐漸變?yōu)榇龠M(jìn)作用。砷脅迫下植物體內(nèi)Zn元素含量升高在其他研究中也有報道[16]。這可能是在低濃度As脅迫下，植物某些涉及到Zn元素的生理活動增強(qiáng)來應(yīng)對As的毒性。當(dāng)根中As含量升高，毒性作用增強(qiáng)對Zn的吸收過程產(chǎn)生抑制，但隨著As含量進(jìn)一步升高，植物促Zn吸收增強(qiáng)的程度高于Zn吸收過程抑制的程度，使得植物對Fe的吸收增強(qiáng)。葉中Zn元素含量并不隨As脅迫的變化而顯著變化，表明As脅迫雖然會影響Fe在根部的分布，但由于植物對Zn元素遷移的調(diào)控使得葉中Zn的含量得到控制，從而保證葉中生理活動的正常進(jìn)行。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，砷的攝入并不影響生菜對Fe和Cu的吸收以及這些元素在根和葉中的分布。

5 結(jié)論

在As（III）的脅迫下，生菜根中As（III）為主要砷形態(tài)，As（V）所占比重很小。隨著脅迫濃度的升高，根中As（III）含量逐漸達(dá)到飽和，但As（V）含量顯著升高，葉中As（III）含量和As（V）含量都顯著升高。高濃度脅迫下，砷從根向葉的遷移顯著升高。As（III）脅迫會抑制Mn的吸收并且對Fe的吸收造成影響，但通過植物對Mn和Zn遷移的調(diào)控使得葉中這些元素的含量不受影響。另外，As（III）脅迫并未影響Fe、Cu的吸收和分布。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]Ozturk F， Duman F， Leblebici Z， et al. Arsenic accumulation and biological responses of watercress （Nasturtium officinale R. Br.） exposed to arsenite[J].Environmental and Experimental Botany， 2010， 69：167-174.

[3]Kumar S， Dubey R S， Tripathi R D， et al. Omics and biotechnology of arsenic stress and detoxification in plants： Current updates and prospective[J]. Environment International，2015， 74：221-230.

[4]Abbas G， Murtaza B， Bibi I， et al. Arsenic Uptake， Toxicity， Detoxification， and Speciation in Plants： Physiological， Biochemical， and Molecular Aspects[J]. Internationl Journal of Environmental Research and Public Health，2018，15：59.

[5]李金波，李詩剛，宋桂龍，等.砷脅迫對黑麥草根系形態(tài)及養(yǎng)分吸收的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2018，35：1385-1392.

[6]李金波，李詩剛，宋桂龍，等.兩種黑麥草砷吸收特征及其與莖葉營養(yǎng)元素積累的關(guān)系研究[J].草業(yè)學(xué)報，2018，27：79-87.

[7]劉全吉，孫學(xué)成，譚啟玲，等.砷對冬小麥根系生長和養(yǎng)分吸收的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39： 19695-19697.

[8]Ramirez-Andreotta M D， Brusseau M L， Artiola J F， et al. A greenhouse and field-based study to determine the accumulation of arsenic in common homegrown vegetables grown inmining-affected soils[J]. Science of Total Environment，2013， 443： 299-306.

[9]劉文菊，趙方杰.植物砷吸收與代謝的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2011，30：56-62.

[10]耿安靜，李漢敏，王旭，等.水稻砷吸收代謝的相關(guān)研究進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，29：18-24.

[11]Zhao F J， Ma J F， Meharg A A， et al. Arsenic uptake and metabolism in plants[J].New Phytologist， 2009， 181：777-794.

[12]Cailliatte R，Schikora A，Briat J F，et al. High-affinity manganese uptake by the metal transporter NRAMP1is essential for arabidopsis growth in low manganese conditions[J].The Plant Cell， 2010， 22： 904-917.

[13]曹恭，粱鳴早.鋅-平衡栽培體系中植物必需的微量元素[J].土壤肥料，（2003）：51-52.

[14]Briat J F， Curie C et al. Iron utilization and metabolism in plants[J].Current Opinion in Plnat Biology， 2007， 10： 276-282.

[15]房茜，李鵬，靳思，等.酵母和植物中銅的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)及其調(diào)控[J].植物學(xué)通報，2007，24：807-815.

[16]Liu X， Feng H Y， Fu J W， et al. Arsenic-induced nutrient uptake in As-hyperaccumulator Pteris vittata and their potential role to enhance plant growth[J].Chemosphere，2018，198：425-431.

（責(zé)編：張宏民）