锰对美洲商陆和小飞蓬根系形态及根系分泌物的影响

2010-05-28 07:04张健平吴玉环徐根娣唐秀梅郑国红
关键词:商陆总糖有机酸

张健平, 吴玉环, 刘 鹏, 徐根娣, 唐秀梅, 郑国红

(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)

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1 000 mg/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1,5,10,15 mmol/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2 h, 每5 d更换营养液.

1.3 根系分泌物收集与测定

锰处理14 d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200 mL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:STD 1600+)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

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

图2 锰对美洲商陆与小飞蓬根系总糖含量的影响

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15 mmol/L 2个锰浓度间其总糖含量无显著差异;而美洲商陆在5和10 mmol/L 2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5 mmol/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

图4 锰对美洲商陆与小飞蓬根系有机酸分泌的影响

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15 mmol/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Alyssumlesbiacum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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