（环境工程专业论文）超积累植物商陆吸收累积锰机理研究.pdf

摘要 商陆( p h y t o l a c c aa c i n o s a r o x b ) 是在中国境内发现的锰超积累草本植物。 本论文以锰超积累植物商陆为研究对象，采用溶液培养和吸收抑制剂实验探讨了 其对锰超积累能力、吸收过程及吸收机理；利用化学分析、凝胶过滤层析、液相 色谱( h l p c ) 、同步辐射x a f s 等技术从器官、组织、细胞不同水平研究锰在商 陆体内的分布特征和结合形态，阐明了锰在商陆体内的区室化分布及与有机物的 结合是商陆超累积解毒锰的主要机制；并结合生理生化指标分析探索了商陆对锰 的生理响应机制。本研究为锰毒土壤上的植物遗传改良以及其他超积累植物机理 的研究提供一定的理论和科学依据。通过研究取得了以下主要结果： 商陆具有高累积锰的能力，其叶中的锰含量远远高于茎和根中的锰含量： 水培条件下，2 0 0 0g mm n 处理下其叶片锰含量可高达1 0 ，0 3 6m g k g d w 而无明 显受害症状；低锰浓度处理下，商陆仍具有很高的吸收累积能力。解偶联剂2 , 4 一二硝基苯酚( d n p ) 和p 一型a t p 酶抑制剂n a 3 v 0 4 对商陆锰吸收有一定的 抑制作用，表明商陆对锰的吸收可能存在主动吸收。钙离子通道抑制剂l a c l 3 对商陆锰吸收有抑制作用，说明商陆锰吸收与钙离子通道密切相关。 商陆超累积锰的主要器官是叶片，不同叶龄的叶片锰浓度不同，成熟叶片 镭浓度高于老叶和新叶；同一叶片内，叶边缘锰含量最高，其次是叶中部，叶 脉锰含量最低；锰在商陆体内的这种分配方式主要是受蒸腾作用调控。停止外 部锰供应后，商陆新长出的叶片无论锰浓度还是锰含量都极低，而老叶中的锰 含量则继续增加，老叶中继续增加的锰主要来源于根部锰的向上转移。 组织水平上，锰在根横截面中维管束柱含量最高，其次为表皮；茎中锰在 维管束柱含量最高；叶的横截面上，表皮锰含量高于叶肉，且上表皮含量高于 下表皮。从细胞水平上看，商陆根细胞壁中的锰含量占总锰的1 9 - 5 9 ，细胞质 可溶性部分含量为3 3 6 6 ；茎中可溶性锰含量为总锰的5 9 8 1 ；叶中有7 4 8 2 的锰贮存在液泡中，叶细胞壁中锰含量占总锰的1 5 - 2 0 ，叶细胞器中锰分配率 最少，只占总锰的2 7 34 。商陆根茎维管束中的高锰含量及高可溶性含量有 利于锸向地上部分转移并积累在叶片中：锰在商陆叶片非活性代谢部分( 液泡和 细胞壁) 的积累是其超累积解毒锰的主要机制之一。 不同提取剂对商陆根茎叶的提取结果表明，随锰处理浓度增加，商陆根中锰 由水提耿态向稀酸提取态转化，说明根细胞壁结合的m n 含量随锰处理浓度增加 而增加；茎中水提取态m n 含量达总锰的5 5 8 6 ，且随处理浓度的增加其水提取 态m n l l 侈f j 增加。根中细胞壁结合态锰限制了锰向上部分运输，在茎中，水提取 态含量增高，锰移动性增强，有利于锰向叶部转运。 商陆叶片中，水提取态m n 占总锰的8 3 9 1 ；凝胶过滤层析实验证明叶片中 的锰与蛋白结合的可能性较小；氨基酸分析结果表明氨基酸不是锰结合的主要形 态；叶片总有机酸分析的结果则从量上证明了草酸与锰结合的可能性。通过 s e p h a d e sg 1 0 分离后进一步定性定量证明了草酸与锰结合的可能性，并通过紫外 一可见光谱以及同步辐射e x a f s 技术对商陆叶片锰的形态进行了表征，表明叶片 中的锰以+ 2 为主，锰与草酸结合是其叶片中锰的主要形态。 细胞壁吸附锰实验结果表明，p h 是影响细胞壁吸附能力的重要因素，细胞 壁吸附锰的最适p h 值在5 6 范围内。在p h 为5 的条件下，商陆根、茎和叶的细 胞壁的锰的吸附较好的符合l o n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程。红外光谱分析结果 表明一o h 在商陆根茎叶细胞壁结合m n 过程中起了主要作用；x a f s 实验结果显示 商陆根茎叶细胞壁上的m n 0 键长度和配位数都存在定差异，说明根茎叶细胞 壁的m n 结合形态存在一定不同。 生理生化实验结果表明，不同锰浓度处理下商陆叶片的质膜透性和膜脂过氧 化产物丙二醛( m d a ) 含量无显著变化，表明锰处理下商陆叶片的细胞膜还没 有受到明显伤害；商陆叶片的可溶性蛋白含量随供锰浓度不同而变化，说明植物 在代谢和结构上发生了调整；抗氧化酶分析结果表明，随锰处理浓度的增加，商 陆叶片s o d 和p o d 活性提高，保护酶活性的提高有利于活性氧自由基的清除，这 可能是商陆耐高锰一种生理响应机制。 关键词：商陆锰超积累吸收分布形态生理响应 a b s t r a c t 尸细t o l a c c aa c i n o s ar o x b ( 户a c i n o s a ) w a sf o u n da sm nh y p e r a c c u m u l a t 0 7p l a n ti ns o u t h c h i n a t h ej pa c i n o s ai se a s yt oc u l t i v a t ed u et oi t sp e r e n n i a lh e r b a c e o u sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dw h i c h m a d ei tau s e f u lm a t e r i a lf o rs t u d y i n g n u t r i e n ts o l u t i o nc u l t i v a t i o na n da b s o r p t i o ni n h i b i t o r e x p e r i m e n t sw e r ea p p l i e di n t h i s s t u d yf o re x p l o r i n gt h em e c h a n i s mo fm na b s o r p t i o na n d h y p e r a c c u m u l a t i o nf o r 户a c i n o s at h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n sa n dc o m b i n a t i o nf o r m so fm n a to r g a n ， t i s s u ea n dc e l l u l a rl e v e l sw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gc h e m i c a la n a l y s i s ，g e lf i l t r a t i o n c h r o m a t o g r a p h y , l i q u i dc h r o m a t o g r a m ( h l p c ) ，s y n c h r o t r o nr a d i a t i o ne x a f s ，a n de c t ，r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o m p a r t m e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no fm na n dt h ec o m b i n a t i o no fm nw i t ho r g a n i c s u b s t a n c e sw e r et h em a j o rm e c h a n i s mf o r 尸a c i n o s at oh y p e r a c c u m u l a t em na n dr e s i s t a n tt om n t o x i c i t y p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a la n a l y s i sw e r ea l s oe m p l o y e di nt h i ss t u d yf o re x p l o r i n g p l a y s i o l o g i c a lr e s p o n s eo f pa e i n o s a t om n t h er e s u l t st h r o u g h o u tt h ep a p e rw e r es u m m a r i z e da s f o i l o w s ： 尸a c i n o s ai so fh i g ha b i l i t yf o ra c c u m u l a t i n gm na n dt h em ni sm a i n l ya c c u m u l a t e di nt h e l e a v e so f pa c i n o s aw i t ht h eh y d r a u l i cc u l t i v a t i o no f 2 0 0 0g mm n t h em nc o n t e n ti nl e a v e si sa s h i g ha s1 0 ，0 3 6m g k gd r yw e i g h tw i t h o u tt o x i c i t ys y m p t o m t h epa c i n o s ai s s t i l lo fh i g h a c c u m u l a t i n ga b i l i t y e v e nu n d e rt h et r e a t m e n to fr e l a t i v e l yl o wm nc o n c e n t r a t i o n s b o t h u n c o u p l i n ga g e n t s2 ，4 - d i n i t r o p h e n o l ( d n p ) a n dp - t y p ea t pe n z y m ei n h i b i t o r i so fi n h i b i t i o n s f o ra b s o r p t i o n so fm ni n 尸a c i n o s aw h i c hs u g g e s t e dt h a tt h ea b s o r p t i o no fm ni npa c i n o s am a y b ea na c t i v ea b s o r p t i o np r o c e s s t h ea b s o r p t i o no fm ni npa c i n o s ai sa l s or e l a t e dt oc a 2 + c h a n n e l d u et ot h ei n h i b i t i o n so fm na b s o r p t i o nf r o ml a c l s t h em a i no r g a nf o r 户a c i n o s at oh y p e r a c c u m u l a t em ni st h el e a fl e a v e sw i t hd i f f e r e n t a g e sh a v ed i f f e r e n tm n c o n t e n t t h em nc o n t e n ti nm a t u r el e a v e si sh i g h e rt h a nt h a ti no l dl e a v e s a n dy o u n gl e a v e sw i t h i nal e a f , t h em nc o n t e n ti nm a r g i n a la r e a sw a st h eh i g h e s t ，f o l l o w e db y c e n t r a la r e a sa n dm i d r i b ，s u c hd i s t r i b u t i o np a u e r nw a sm a i n l yc o n t r o l l e db yt r a n s p i r a t i o nr a t e a f t ers t o p p i n gt h es u p p l i e so fe x t e r n a lm n ，b o t ht h em nc o n t e n ta n dm nc o n c e n t r a t i o ni nt h e n e w l yd e v e l o p e dl e a v e sw e r ee x t r e m e l yl o w , w h e r e a st h em nc o n t e n ti no l d l e a v e si n c r e a s e d c o n t i n u o u s l yt h ei n c r e a s e dm ni no l dl e a v e sw a st r a n s l o c a t e df r o mt h er e m a i n i n gm ni nt h e r o o t s a sf o rt i s s u el e v e l s ，m ni nv a s c u l a rb u n d l e so ft h ec r o s ss e c t i o no fr o o tw a st h eh i g h e s t ， f o l l o w e db ye p i d e r m i s a n dc o r e xr e g a r d i n gs t e m s m ni nv a s c u l a rb u n d l e sw a sa l s ot h e h i g h e a t w i t h i nt h ec r o s ss e c t i o no fl e a v e so fpu e i n o s a ，t h em nc o n t e n ti ne p i d e r m i si sh i g h e r t h a nt h a ti nm e s o p h y l l ，b e s i d e sm nc o n t e n ti nu p p e re p i d e r m i si sa l s oh i g h e rt h a ni nl o w e r e p i d e r m i s ，c o n c e r n i n gc e l ll e v e l s ，t h em n c o n t e n ti nc e l lw a l l sa n ds o l u b l ep a r t so fc y t o p l a s mo f 尸a c i n o s ar o o t sc o v e r e di9 - 5 9 a n d3 3 6 6 o f t h et o t a lm n ，r e s p e c t i v e l y s o l u b l em ni ns t e m s w a s5 9 8 】o ft o t a lm nw i t h i nl e a v e s ，m o s tm n ( 7 4 8 2 ) w a ss t o r e di nv a c u o l e s ，t h em n c o n t e n ti nc e i lw a l l so f l e a v e sc o v e r e d15 - 2 0 w h e r e a st h em nd i s t r i b u t i o nr a t i of o ro r g a n e l l ei s 3 t h el e a s t o n l y2 7 - 34 o ft o t a lm ni nl e a v e s h i g h e rm na n ds o l u b l em nc o n c e n t r a t i o n si n v a s c u l a rb u n d l e so fs t e m sw o u l dm a k ef o rt r a n s l o c a t i n go fm nt oa b o v e - g r o u n dp a r ta n d a c c u m u l a t i n gi nl e a v e s t h ea c c u m u l a t i o no fm ni nt h en o n - a c t i v em e t a b o l i s mp a r t s ( v a c u o l e a n dc e l lw a l l ) o f pa c i n o s al e a v e si so n eo f t h em a i nm e c h a n i s m sf o rh y p e r a c c u m u 】a t i n gm n t h er e s u l t sf r o me x t r a c t i o ne x p e r i m e n t sb yu s i n gd i f f e r e n te x t r a c t a n t ss h o w e dt h a tt h em ni n t h er o o t so f 户a c i n o s aw a st r a n s f o r m i n gf r o mw a t e re x t r a c t a b l em nt od i l u t e da c i de x t r a c t a b l em n w i t ht h ei n c r e a s e o fm nc o n c e n t r a t i o n si nt h et r e a t m e n t w h i c hi n d i c a t e st h a tt h em nc o n t e n t c o m b i n e dw i t he e l lw a l l so fr o o t sj n c r e a s e da st h et r e a t m e n tm nc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s e d a sf o r s t e m s ，t h ew a t e re x t r a c t a b l em nc o n t e n ti s5 5 - 8 6 ，a n dt h ep r o p o n i o n so fw a t e re x t r a c t a b l em n i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fm nc o n c e n t r a t i o n si nt h et r e a t m e n t ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tt h em n c o m b i n e dw i t hc e l lw a l l so fr o o t sr e s t r i c tt h eu pt r a n s l o c a t i o no fm n 0 n c et h em na r r i v e da t a b o v e g r o u n dp a r to fs t e m s ，t h em nm o b i l i t yw i l lb e c o m es t r o n gd u et ot h ei n c r e a s i n go fw a t e r e x t r a c t a b l em n ，w h i c hw o u l dm a k et h et r a n s l o c a t i o no f m nt ol e a v e se a s y t h ew a t e re x t r a c t a b l em nc o v e r e d8 3 9 l o ft o t a 】m nj nl e a v e so fj po c i n o s qf u r t h e r e v i d e n c ef r o mt h eg e lf i l t r a t i o nc h r o m a t o g r a p h ye x p e r i m e n t ss u g g e s t e dt h a tt h ep r o b a b i l i t yo fm n i npa c i n o s al e a v e sc o m b i n e dw i t hp r o t e i n sw a sv e r ys m a l l a m i n oa c i da n a l y s i ss h o w e dt h a t a m i n oa c i di sn o tt h em a i nc o m b i n a t i o nf o r mf o rm n t h ec o m p o n e n t so b t a i n e df r o mt o t a lo r g a n i c a c i da n a l y s i so fl e a v e si n d i c a t e dt h a tm np r o b a b l yb ec o m b i n e dw i t ho x a l i ca c i d ，a n dt h e s e p a r a t i o n r e s u l t so f s e p h a d e s g - 1 0p r o v i d e dt h ef u r t h e re v i d e n c e s s i m u l t a n e o u s l y t h e u l t r a v i o l e t v i s i b l es p e c t r u ma n ds y n c h r o t r o nr a d i a t i o ne x a f ss c a n n i n gp r o v e dt h a tt h ed o m i n a n t f o r mo f m ni nl e a v e so f pa c i n o s aw a sm n ”，a n dc o m b i n e dm a i n l yw i t ho x a l i ca c i d s t h ea d s o r p t i o ne x p e r i m e n to fc e l lw a l ls h o w e dt h a tp hi sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h e a b s o r b a b i l i t yo fc e l lw a l l t h eo p t i m a lp hf o rm na d s o r p t i o nb yc e l lw a l li sf r o m5t o6 i nt h e c a s eo fp hi s5 ，t h ea d s o r p t i o np a u e r n so fm ni nc e l lw a l l so fr o o t s ，s t e m sa n dl e a v e sw e r ei n a c c o r dw i t ht h el o n g m u i ra n df r e u n d l i c he q u a t i o n sv e r yw e l l i n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s i ss u g g e s t e d t h a t o hp l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fm na n dc e l lw a l l s r e s u l t sf r o mx a f sa n a l y s i si n d i c a t e dt h a tb o t hb o n dl e n i g t ha n dc 0 0 r d i n a t i o nn u m b e ro fm n - o a r eo f g r e a td i f f e r e n c e s ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tt h em nf o r mi so f c e r t a i nd i f f e r e n c e s t h e r ea r en o ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so f p l a s m am e m b r a n ep e r m e a b i l i t ya n dm d a ( t h e p e r o x i d a t i n gs u b s t a n c eo f c e l lm e m b r a n e ) c o n t e n tu n d e rd i f f e r e n tm nt r e a t m e n t si n d i c a t i n g t h a tt h ec e l lm e m b r a n ei ss t i l ln o tb ei n j u r e d t h ec o n t e n to fs o l u b l ep r o t e i nc h a n g e dw i t h d i f f e r e n tm nt r e a t m e n ts u g g e s t e dt h a tt h ea d j u s to fm e t a b o l i s ma n ds t r u c t u r eo ft h ep l a n t t h ea c t i v i t yo fs o da n dp o di n c r e a s e da st h ei n c r e a s eo fm nc o n c e n t r a t i o ni nt h e t r e a t m e n t s ，t h ei m p r o v e m e n to fp r o t e c t i o ne n z y m ea c t i v i t i e sw o u l dh e l pt oe l i m i n a t et h e a c t i v eo x y g e nf r e er a d i c a l s ，w h i c hm a yb eo n eo ft h er e s p o n s em e c h a n i s m sf o rpa c i n o s ot o r e s i s th i g hm nc o n c e n t r a t i o n s k e yw o r d s ：p h y t o l a c c a a c i n o s ar o x b ； m a n g a n e s e ；h y p e r a c c u m u l a “o n ；a b s o r p t i o n ； d i s t r i b u t i o n ；f o r m ；p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e 4 第一节史献综述 第一章文献综述 1 锰在土壤一植物系统中的行为特征 锰是植物生长代谢所必需的微量元素，但过量锰也会引起植物的锰毒 ( m u k a o p a d h y a y 并d s h a r m a ，1 9 9 1 ) 。锰是广泛存在于环境中的元素，当生长介质中 有效锰的浓度超出一定范围时，则会导致植物锰中毒。早在1 9 0 2 年，a s o 就发现 生长在高锰介质中的植物根系发褐，水分和养分的吸收效率明显下降，从而导致 植株生长受抑，这是较早的关于植物锰中毒的报道。随着社会工业化进程的加速 和耕作制度的改变，世界上酸性土壤的面积日益扩大，土壤的酸化加速了土壤中 有效锰的释放，从而导致可溶性锰的浓度过高，对植物产生毒害作用。锰毒不仅 仅发生在p h5 5 以下的酸性土壤上，极端的气候条件( 如水涝、干旱、高温等) 也可导致锰毒( s p a r r o w c 和u r e n ，1 9 8 7 ) ，甚至在石灰性土壤( s i m a n 等，1 9 7 4 ) 和近中性土壤上都能发生锰毒( c o n y e r s 等，1 9 9 7 ；g r a s m a n i s 和l e e p e r ，1 9 6 6 ) 。 另外，由于锰广泛地应用于冶会、陶瓷、玻璃、锌锰电池、油漆和汽油防爆剂等， 锸在化工行业的应用以及锰矿丌采也带来大面积的土壤锰污染。因此，锰毒的土 壤范围较宽，从而使锰毒成为限制植物生长的一个重要因素。 锰是土壤中比较活跃的金属元素之一，对土壤锰毒的矫j 下涉及到许多因 素，在采取各种措施的同时，利用和选育对锰耐性较强或超积累植物是提高锰 毒土壤上植物生产力的一条重要途径。近年来研究表明，不同植物，或同一植 物的不同基因型在对锰的尉性和累积能力方面有很大差异，而且这种差异是由 遗传控制的。遗传改良是提高锰毒土壤生产力的一条有效途径，然而，这方面 工作进展较为缓慢，很大一部分原因是对植物忍耐和累积锰的机制还不是很清 楚。锰超积累植物是很好的研究材料，对其超累积锰的机理的研究有助于镐毒 土壤上植物的改良和生产力的提高，同时也为其他超积累植物的机理研究提供 了依据。因此，本部分就土壤一植物生态系统中锰的行为特征，以及超积累植 物对重金属的累积机理做一综述，以期为锰毒土壤上的植物遗传改良以及其他 超积累植物机理的研究提供一定的理论和科学依据。 1 1 土壤中锰的含量及来源 1 1 1 土壤中锰的含量 全球范围内土壤锰含量的变化从痕量到1 0 0 0 0m g k g 之间，平均值为8 5 0 浙江人学博| + 毕业论立 m g k g 。掘报道，中国农业土壤中锰的自然含量为1 0 - 9 4 7 8m g k g ，平均为7 1 0 m g k g ，略低于世界平均值( 刘铮等，1 9 8 0 ) 。各类土壤锰的含量变幅极大，因 成土母质、地形、气候和生物等因素的影响程度而异，总体呈南高北低的趋势。 全国土壤背景值研究表明，全国4 0 3 1 个土壤样品锰的背景含量：全距为1 - 5 8 8 8 m g k g ，中位值为5 4 0m g k g 。如磷质石灰土为3 7m g k g 、棕色针叶土高：送1 3 8 1 m g k g 。不同的区域，由于成土条件不同，其土壤背景含量也有明显的差异和一 定的规律。 1 1 2 土壤中锰的来源 土壤中的锰首先主要来自成土母质，地壳中锰的丰度大约为3 5 0 2 0 0 0 m g k g ，平均为1 0 0 0m g k g 。锰的分布极其广泛，几乎所有的岩石都含有锰，通 过风化作用，锰从原生矿物中释放出来，与0 2 、c 0 3 。和s i 0 2 结合形成m n 0 2 、 m n 3 0 4 、m n o o h 、m n c 0 3 和m n s i 0 3 等次生矿物，在酸性土壤条件( p h 8 时，可 溶性的锰很容易转化为高度稳定的m n 0 2 沉淀。在酸性条件下，有利于锰的释放。 因此，缺锰多出现在中性和碱性土壤中，而强酸性土壤会因可溶性锰过多对植物 浙江人学博士毕业论文 产生锰毒害。土壤的氧化还原电位降低，或向土壤中加入还原剂时，有利于锰的 释放。土壤渍水可使有效态锰含量增加。例如浙江黄岩滨海赫土在干旱季节时， 易原态锰不足5 0 m g k g ，而雨季可达1 0 0 m gk g “( 何电源，1 9 9 4 ) 。另外，土壤中 有效锰的含量还与土壤有机质含量( 李志洪等，1 9 9 7 ) 3 1 微生物活动有关( 柴次芳和 祝汉民，1 9 9 4 ) 。各种形态的锰在土壤中因土壤p h 值、氧化还原电位和微生物活 动等保持动态平衡。 土壤中锰的储备过多或者有效性很高，有时就会发生锰毒现象而影响植物生 长，降低生物量的形成。锰中毒早在1 9 0 9 年便有报道，我国则在近年才发现，如 因锰过多而诱发菠萝缺铁失绿。国外近年来关于锰毒和锰污染的报道增多，我国 关于锰毒和锰污染土壤的系统调查研究还没有展开。 1 3 锰对植物的毒害作用及机理 1 3 1 植物锰中毒的症状表现 二价锰离子( m n ”) 很容易被植物吸收，并能从根迅速运输到地上部( n a b l e 平l l o n e r a g a n ，1 9 8 4 ) 。因此，锰毒症状首先在地上部出现。然而，如果锰毒胁 迫十分严重时，根系也会受到影响( w o n g 和b r a d s h a w ，1 9 8 2 ) 。在这种情况下 根系生长受到抑制，根表皮细胞变褐色。这是由于氧化态酚在根皮层细胞中累积 及氧化锰( m n 0 2 ) 在细胞壁沉淀所致。 植物发生锰中毒时，很难找到一种十分典型的专一性锰中毒症状。在不同的 植物和同一植物不同部位的组织中，锰毒症状往往表现不同( 张福锁，1 9 9 3 ) 。锰 毒症一般表现为老叶边缘出现明显的暗褐色斑点、坏死斑( 马铃薯茎的条状坏死， 苹果内皮坏死) 、失绿斑，以及叶缘、叶尖失绿。在幼叶中锰中毒往往表现为“变 形症”或失绿症 ( c l a r k 等，1 9 8 1 ：e 1 一j a o u a l 和c o x ，1 9 9 8 ) 。w i s s e m e i e r 和h o r s t ( 1 9 9 2 1 在溶液培养中观察了豌豆的锰毒症状，发现老叶出现了黑褐色斑点，在靠近斑点 周围，出现大量聚苯胺蓝荧光物质，这是形成的】，3 p 葡聚糖( 胼胝质) 。l e e 等 ( 1 9 9 1 ) 描述的黄瓜锰毒症状为：叶片出现褐色坏死斑，叶脉变红。大豆的锰毒 症状则表现为开始叶片发黄，继而由局部发展至全部叶片呈深褐色，直至最后叶 柄变黑，叶片脱落( g i l l e r 等，1 9 9 2 ) 。 第一章史献练述 1 3 2 养分平衡及其机理 关于土壤溶液中m n 与其他营养元素相互作用及对植物生长的影响的报道较 多。锰与钙、镁、铁等元素在吸收、转运和利用过程中相互影响，可以诱导或加 重锰毒的发生。有人提出“皱叶病”为过量的锰诱导缺钙所致，因为“皱叶病” 和植物的缺钙症状完全相似。已有研究表明，过量的锰可以降低叶片中钙的浓度 r b o t 等，1 9 9 0 ) 。如果给棉花施钙，则由过量锰引起的“皱叶病”症状即可消失， 但老叶上暗褐色斑点更加明显( 张福锁，1 9 9 3 ) 。生长介质中过量的锰可以降低植 物对镁的吸收而出现缺镁症状( h e e n a n d c a m p b e l l ，1 9 8 1 ) 。在吸收过程中，锰与 镁在植物根部具有相同的结合位点，并且锰离子与结合位点的结合能力明显高于 镁离子，这是高浓度的锰抑制植物对镁吸收的主要原因。在有些情况下，高锰可 以使植物对镁的吸收率降低5 0 ( e l - j a o u a l 和c o x ，1 9 9 8 ) 。由于锰毒导致的“幼 叶失绿症”与缺铁症极为相似，所以锰和铁之间的相互作用一直是研究的热点( 张 福锁，1 9 9 3 ) 。大量的研究表明生长介质中过量的锰降低了植物对铁的吸收 ( b e a u c h a m p 和r o s s i ，1 9 7 2 ；n a r a y a n a 等，1 9 9 3 ) 。但是有人认为决定是否产生锰 中毒现象的因素不是单一的锰的浓度或铁的浓度，而是它们之间的比率( o s a w a 1 l k e d a ，1 9 7 6 ；s o m e r s j f n s h i v e 1 9 4 2 ) 。但是也有人对这一观点提出异议，因为 缺铁症和锰毒症不定共同产生。究竟哪一方面占主导因素，可能还与不同的植 物种类和品种有关。高锰条件下诱导的钙、镁、铁等元素缺乏导致营养不平衡也 是锰毒发生的机理之一。 1 3 3 活性氧损伤机理 “活性氧”泛指那些含有氧原子的但较氧具有更活泼的化学反应的氧的某 些代谢产物及其衍生物，主要包括超氧自由基( 0 2 ) 、羟自由基( h o ) 、过氧化氢 ( h 2 0 z ) 和单线态氧( 1 0 2 ) 。植物在f 常的生理条件下，处于平衡态的氧自由基浓度 是很低的，它们不仅不损伤机体，而且还显示出独特的生理功能。但是，当植物 遇到强光、重余属、高温、低温、盐渍、干旱等胁迫时，自由基的产生和清除就 会失去平衡，活性氧就可由多种途经产生，多余的活性氧就会损伤机体( b r i a t 干1 l e b r u n ，2 0 0 2 ：i n z 8 和m o n y a g u ，1 9 9 5 ) 。 在叶绿体中基态氧通过光系统i 活化可生成0 2 、h 2 0 2 和o h ( m i t t l e r ，2 0 0 2 ) 。 在n 十绿体内当o h 启动膜脂发生过氧化作用时，首先发生脱氢，形成脂质自由基 浙江大学博士毕业论文 并发生重排形成共轭二烯结构，在氧参与下形成脂质过氧自由基，它与邻近的另 一个不饱和脂肪酸作用而生成半稳定性的氢过氧化物和一个新脂质自由基，氢过 氧化物进一步形成丙二醛。因此通常测定丙二醛( m d a ) 的量反映膜的伤害程 度( 王仁雷和华春，1 9 9 2 ) 。植物组织在重金属胁迫、干旱、高温、徐渍等逆境胁 迫下产生并积累的大量活性氧可直接攻击膜系统中的不饱和脂肪酸，从而导致膜 脂过氧化作用，破坏膜系统。膜脂过氧化过程中产生的m d a 具有很强的交联性 能，它可使蛋白质、核酸等发生交联，从而使蛋白质分子及酶活性失活，使d n a 受到损伤，造成膜结构被破坏( 储玲等，2 0 0 4 ；赵菲佚等，2 0 0 2 ) 。另一方面，膜 脂过氧化亦可引起离子扩散趋势下降，造成膜电势的去极化( 安国勇等，2 0 0 2 ) ， 由于膜结构的破坏和膜电势的去极化，导致膜透性增加，细胞内电解质大量渗漏， 代谢紊乱，引起细胞损伤甚至死 ? 5 ( m i t t l e r ，2 0 0 2 ) 。 目前很多重金属胁迫的研究都集中在重金属引发的氧化胁迫方面。三叶草在 高浓度c u 污染条件下，m d a 高度积累，细胞膜透性增加，致使细胞膜内酶及 原代谢作用区域受到破坏，引起色素含量下降，生长缓慢( 储玲等，2 0 0 4 ) 。高 锰处理对大麦造成了严重的氧化胁迫( d e m i r e v s k a k e p o v a 等，2 0 0 4 ) 。 1 3 4 对叶绿素和光合作用的影响 高锰导致植物叶片中叶绿素含量的降低是最为常见的症状之一。其原因一方 面是因为高锰抑制了叶绿素合成必需元素m g 、f e 等的吸收，使叶绿素合成受阻 ( b o t 等，1 9 9 0 ；h a u c k 等，2 0 0 3 ) ；另一方面叶片中的叶绿素是自由基攻击的靶分 子之一，因此高锰胁迫下活性氧的大量积累必然对叶绿素造成破坏，高浓度的锰 还会改变叶绿体的结构，使其功能不能正常发挥( i s s a 等，1 9 9 5 ) 。并且有研究表 明，高锸胁迫还可以改变植物叶片气孔的密度( l i d o n ，2 0 0 2 ) 。高锸对以上这些因 素的改变都会在很大程度上影响植物的光合作用。大量的研究表明，高锰导致植 物的电子传递速率下降，净光合速率降 氏( f e r r o n i 等，2 0 0 4 ；g o n z 矗l e z 和l y n c h ， 1 9 9 7 ； k i t a o 等，1 9 9 7 ；s u b r a h a m a n y a m 和r a t h o r e ，2 0 0 0 ) 。 2 植物对重金属累积和解毒机制 重金属是主要环境污染物之一，许多重金属在很低浓度下就产生毒害。自从 工业革命以来重金属污染急剧增加( n r i o g o ，1 9 7 9 ) ，其污染物主要来源于化石 第一幸义献综述 燃料的燃烧、采矿、含金属矿石的冶炼、市政垃圾，以及肥料、杀虫剂和污泥的 大量使用等( k a b a t a p e n d i a s 和p e n d i a s ，1 9 8 9 ) 。有毒金属对土壤、水体以及地 下水的污染对环境和人类健康都产生较大影响，需要有效可行的技术来解决。有 毒金属污染的位点不断增加，处理重金属污染最常用的方法是花费较高的异位、 填埋或简单隔离污染区。除了人为活动导致的污染区外，全球范围内仍然有很多 含有大量重金属的采矿沉积物。然而这些富含金属的区域适合一些特殊植物生 长，这些植物能积累大量的有毒金属( b a k e r 矛l b r o o k s ，1 9 8 9 ) 。br o o k s 等在1 9 7 7 年首先提出超积累植物( h y p e r a c c u n m l a t o r ) 这一概念，超积累植物往往是长期 生长在重会属含量较高的土壤上，经过不断的生物进化而形成的，或是通过遗传 程或基因工程培育、诱导而成的。因此它们一般具有以下几个重要的特征：f 1 1 体内某一金属元素浓度大于一定的临界值。如c d 超积累植物浓度大于1 0 0m # k g ， c u 、p b 大于1 0 0 0m g k g ，而m n 、z n 要大于1 0 0 0 0m g k g 干重。( 2 ) 植物吸收的重 金属大部分分布在地上部分，即植物地上部分金属含量与地下部分会属含量的比 值大于l 。( 3 ) 在重金属污染的土壤上这类植物能良好地生长，一般不会发生 毒害现象。依据这些标准，目前，全世界发现的陆生重金属超积累植物大约有4 0 0 种，不到被子植物的0 2 ( r e e