（生态学专业论文）红树植物秋茄根系分泌物对cd胁迫的响应.pdf

摘要 摘要 作为滨海湿地生态系统中一类典型的抗性植物，红树植物在重金属胁迫条件 下的生理生态特性得到了广泛的研究。已有研究表明，根系分泌物在多种植物抗 重金属毒性机制中起着重要作用，然而关于红树植物根系分泌物对重金属胁迫的 响应方面的研究却鲜见报道。本文通过人工模拟砂培秋茄( k a n d e l i ac a n d e l ( l ) d r u c e ) 幼苗，分别以0 ，2 5 ，5 ，1 0 ，2 0 ，4 0p p mc d 胁迫处理，在不同处理时 间( 2 4 h ，7 d ) 进行取样分析，探讨c d 胁迫下秋茄幼苗根系分泌物中氨基酸和 低分子量有机酸以及相关生理指标( 可溶性糖、可溶性蛋白、谷胱甘肽) 的变化 情况。本研究旨在探索红树植物根系分泌物对重金属c d 胁迫的响应，为预测与 评价重金属c d 对红树植物的环境胁迫生理生态效应，以及为红树林湿地的保护 提供科学依据。 本研究主要结论如下： 1 用改进的高效液相色谱法分析1 0 种低分子量有机酸：草酸、酒石酸、甲 酸、l 苹果酸、乳酸、乙酸、顺丁烯二酸、柠檬酸、琥珀酸、反丁烯二酸。色谱 条件为：a g i l e n t11 0 0 型高效液相色谱及其色谱工作站，a g i l e n th c c 18 ( 2 ) ， a n a l y t i c a l4 6 2 5 0 m m5 - m i c r o n 型反向色谱柱，流动相为9 3 的2 5m m o l l 。1 k h 2 p 0 4 ( p h2 4 ) + 7 甲醇的混合液，流速为0 7m lm i n - 1 ，进样量为2 0 l l ， 柱温2 54 - 2 0 ，检测波长为2 1 0n l n ，能有效的分离检测。 2 秋茄幼苗根系分泌的有机酸总量在2 9 5 3 7 9 4 3 0 7 9 2m gg d w r o o t s ，主 要种类为草酸、乙酸、琥珀酸、l 苹果酸和酒石酸。此外，在c d 胁迫处理组中 还检测到乳酸与反丁烯二酸，这在对照中并未检测出。在所检测的低分子量有机 酸中二元酸所占的比例明显高于一元酸和三元酸，前者的含量约为后二者之和的 2 4 倍。2 4 h 的短期c d 处理时，各组有机酸出现了类似应激反应的现象，其总 量包括高浓度处理组均较对照有所上升；而7 d 的长时期c d 处理下，秋茄根系 低分子量有机酸的分泌达到了较为稳定的状态，随着c d 处理浓度的升高呈现先 上升而后逐渐降低的趋势，于2 0p p m 与4 0p p m 处理下降至对照水平。 3 在秋茄幼苗根系分泌物中共发现了1 5 种氨基酸，其中，对照组中仅检测 到7 种氨基酸，且苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸仅分别在1 0p p m 、2 0p p m 、4 0p p m 摘要 短期c d 处理中被检出，而c d 处理7 d 后仅检测到除这3 种以外的1 2 种氨基酸。 秋茄根系分泌的氨基酸总量在7 3 7 3 4 8 0 1 4 5 2 4 6 3 7n gg d w r o o t s ，其中酪氨酸、 甲硫氨酸、半胱氨酸、异亮氨酸和精氨酸含量最高。对比两种c d 处理时间可以 发现，随着c d 处理浓度的增加，两种情况下氨基酸变化趋势相同，但长期的c d 处理( 7 d ) 较短期的c d 处理( 2 4 h ) 氨基酸变化幅度明显增大，先随着c d 处理 浓度的升高而升高，在2 0p p m 时达到最大值，随后当c d 处理浓度达到4 0p p m 时，氨基酸总量迅速降至对照水平。 4 秋茄根系分泌物中的低分子量有机酸和氨基酸含量都随着c d 处理浓度 及处理时间的变化而发生改变，证实二者在幼苗抗c d 毒性中起着一定的作用。 但氨基酸含量远远低于低分子量有机酸的含量，这表明根系分泌物中游离氨基酸 组分由于它的微量性，其在红树植物根际环境中的生态效应可能是以营养作用为 主，对重金属解毒作用为辅。 5 在短期( 2 4 h ) 所有处理组中，随着c d 胁迫浓度的增加，秋茄幼苗根系 和叶片中的可溶性糖、可溶性蛋白含量以及叶片中的谷胱甘肽含量都出现不同程 度的升高，并显著高于对照。而在长期( 7 d ) 的c d 处理组中，三者在根系及叶 片中都不同程度的出现先升高后降低的趋势。表明秋茄对低浓度的c d 有一定的 抵抗能力，而在高浓度的c d 胁迫下则处理时间越长，受到伤害越大。 6 秋茄根系能够吸收重金属c d 并将其向地上部分运输，胁迫处理7 d 后c d 在秋茄幼苗各器官中的积累不同，各组分c d 含量的大小依次是根 胚轴 茎叶， 均随着c d 处理浓度的增加而增加。根系是富集c d 的主要器官，在4 0p p m 处理 组，根系富集的重金属含量分别是胚轴的4 8 1 倍，茎的4 4 3 7 倍，叶的6 1 1 0 倍。 关键词：红树植物；根系分泌物；低分子量有机酸；氨基酸；镉；秋茄 i i a b s t r a e t a b s t r a c t m a n g r o v ep l a n t ，a sat y p i c a lr e s i s t a n ts p e c i ei nc o s t a lw e t l a n de c o s y s t e m ，t h e i r e c o p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e st oh e a v ym e t a l sh a v eb e e nw i d e l ys t u d i e d r e s e a r c hh a s s h o w nt h a tr o o te x u d a t e sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nr e s i s t a n c em e c h a n i s ma g a i n s t h e a v ym e t a lt o x i c i t yi nav a r i e t yo fp l a n t s h o w e v e r ，l i t t l ei sk n o w no ft h es o r t sa n d c o n t e n t so fr o o te x u d a t e sa n dt h e i rp o s s i b l ef u n c t i o ni nm a n g r o v ep l a n t t h ea i mo f t h i ss t u d yf o c u s e do nt h ec h a n g eo fr o o te x u d a t e se x c r e t e df r o mm a n g r o v ep l a n tr o o t s u n d e rh e a v ym e t a ls t r e s s ，t h u st oe v a l u a t ea n dp r e d i c tt h ee c o p h y s i o l o g i c a le f f e c t so f m a n g r o v ep l a n tt oh e a v ym e t a lf r o man e wp o i n to fv i e w i nt h i sp a p e r ，k a n d e l i a c a n d e l ( l ) d r u c es e e d l i n g sw e r ec u l t i v a t e di nas a n d yc u l t u r es y s t e m 而t h0 ，2 5 ，5 ， 10 ，2 0 ，4 0m gk g 1c a d m i u mt r e a t m e n tr e s p e c t i v e l y s a m p l e sw e r ea c q u i r e dd u r i n g d i f f e r e n te x p o s u r et i m e ( 2 4 h ，7 d ) ，t h e nt h ee f f e c to fc a d m i u mo nt h ec h a n g eo fa m i n o a c i d sa n dl o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d si nr o o te x u d a t e s ，a n dr e l a t e d p h y s i o l o g i c a li n d i c e s ( s o l u b l es u g a r , s o l u b l ep r o t e i n , g l u t a t h i o n e ) i nkc a n d e lw e r e e x p l o r e d m a j o rc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a ni m p r o v e dm e t h o do fr e v e r s e dp h a s e - h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a - t o g r a p h y ( r p l c ) w a su s e dt oa n a l y z e 10l o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d s ( l m w o a s ) ：o x a l i c ，t a r t a r i c ，f o r m i c ，l m a l i c ，l a c t i c ，a c e t i c ，m a l e i c ，c i t r i c ，s u c c i n i c a n df u m a r i ca c i d t h es e p a r a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o no ft h o s el m w o a sw a s a c c o m p l i s h e du s i n ga g i l e n t 110 0r p l cw o r k s t a t i o n sa n da g i l e n th c - c18 ( 2 ) ， a n a l y t i c a l4 6 毒2 5 0 m m5 - m i c r o n - t y p ec o l u m n am o b i l ep h a s eo f9 3 2 5m m o l l 。1 k h 2 p 0 4a tp h2 4a n d7 m e t h a n o la taf l o w - r a t eo f0 7m l m i n ，a n da ni n j e c t i o n v o l u m eo f2 0i l lw e r ea p p l i e di nt h i sm e t h o d b e s i d e s ，t h ec o l u m nt e m p e r a t u r eo f2 54 - 2 ca n dd a d o u t p u ta t2 10n n lw e r ep r o v e dt ob ee f f e c t i v ea n dp r e c i s e 2 t h et o t a lc o n t e n to fr o o t - e x c r e t e dl m w o a so f 足c a n d e lw a sr a n g e df r o m 2 9 5 3 7 9t o4 3 0 7 9 2m gg d w r o o t si nt h ec o n t r o la n da l lc a d m i u mt r e a t m e n t s ，a n d w i t h i nw h i c ho x a l i c ，a c e t i c ，s u c c i n i c ，l - m a l i ca n dt a r t a r i ca c i dw e r ed o m i n a t e d i n i i i a b s t r a c t a d d i t i o n ，t h el a c t i ca c i da n df u m a r i ca c i dw e r ed e t e r m i n e di nc a d m i u mt r e a t m e n t g r o u p so n l y i nt h ed e t e c t e dl m w o a s ，t h ec o n t e n t o fd i c a r b o x y l i ca c i d sw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nm o n o a n dt r i c a r b o x y l i ca c i d s ，w h i c hi sa b o u t a s2t o4t i m e s m u c ha st h es u mo ft h el a t t e rt w o d u r i n gs h o r t - t e r mc a d m i u me x p o s u r eo f2 4h o u r s ， t h et o t a lc o n t e n to fl m w o a so fe a c ht r e a t m e n tg r o u pi n c r e a s e da n dt h u sw a sh i g h e r t h a nt h ec o n t r 0 1 n e v e r t h e l e s s ，a f t e rl o n g - t e r mc a d m i u me x p o s u r eo f7d a y s ，t h e l m w o a se x c r e t i o no fkc a n d e lr o o t sr e a c h e dar e l a t i v e l ys t a b l es t a t e ，w h i c h i n c r e a s e da n dr e a c h e dac l i m a xa t2 5m gk g t r e a t m e n t ，t h e ng r a d u a l l yw e n td o w n w i t hi n c r e a s i n gc a d m i u ml e v e l ( 5 ，10m gk g 。) ，a n dr e d u c e dt ot h ec o n t r o ll e v e lu n d e r k 曲c o n c e n t r a t i o n ( 2 0 ，4 0m gk g 。1 ) c a d m i u mt r e a t m e n t 3 15t y p e so fa m i n oa c i d sw e r ef o u n di nr o o te x u d a t e so f kc a n d e lr o o t s ，a m o n g w h i c ho n l ys e v e nk i n d so fa m i i l oa c i d sw e r ed e t e c t e di nt h ec o n t r 0 1 m o r e o v e r ， t h r e o n i n e ，s e r i n ea n dg l u t a m i ca c i dw e r em e r e l yo b s e r v e di n 10 ，2 0 ，4 0m gk g 。1 s h o r t t e r m ( 2 4 h ) c a d m i u mt r e a t m e n tr e s p e c t i v e l y a f t e rc a d m i u me x p o s u r ef o r7d a y s ， o n l y12k i n d so fa m i n oa c i d sw e r ed e t e c t e di nt h ep l a n tr o o te x u d a t e se x c e p tf o rt h o s e t h r e ek i n d s t h et o t a lc o n t e n to fr o o t e x c r e t e da m i n oa c i d so fkc a n d e lw a sr a n g e d f r o m7 3 7 3 4 8 0t o1 4 5 2 4 6 3 7n gg d w r o o t s ，a n dw i t h i nw h i c ht y r o s i n e ，m e t h i o n i n e ， c y s t e i n e ，i s o l e u c i n ea n da r g i n i n ew e r ed o m i n a t e d c o m p a r i n gt w od i f f e r e n te x p o s u r e t i m eo fc a d m i u m ( 2 4 ha n d7 d ) ，w ef o u n dt h a t 埘mi n c r e a s i n gc a d m i u mt r e a t m e n t ，t h e c h a n g i n gt r e n do fa m i n oa c i dc o n c e n t r a t i o nw e r et h es a l t l ei nb o t hc o n d i t i o n s b u t t h e t o t a lc o n t e n to fa m i n oa c i d si n7 - d a yt r e a t m e n tg r o u p sw a se v i d e n t l yh i g h e rt h a n 2 4 h o u rt r e a t m e n tg r o u p s t h et o t a lc o n t e n to fa m i n oa c i d sr o s ea tf i r s t ，a n dr e a c h e d t oam a x i m u ma t2 0m gk g t r e a t m e n tg r o u p ，t h e nd r a m a t i c a l l yd e c l i n e dt ot h el e v e l o ft h ec o n t r o lw h e nt h ec a d m i u mc o n c e n t r a t i o nc a i n et o4 0m gk g 4 l o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d sa n da m i n oa c i d so fr o o te x u d a t e s e x c r e t e df r o mkc a n d e lr o o t sv a r i e du n d e rd i f f e r e n tc a d m i u mt r e a t m e n ts t r e n g t ha n d e x p o s u r et i m e t h i sp h e n o m e n o nc o n f i r m e dt h a tb o t ho ft h e mp l a y e dak e yr o l ei n c a d m i u m t o x i c i t yr e s i s t a n c e h o w e v e lt h ec o n c e n t r a t i o n so fa m i n oa c i d sw e r ef a rl e s s t h a nt h a to fl m w o a s ，i n d i c a t i n gt h a td u et oi t st r a c ea m o u n t ，t h ee c o l o g i c a le f f e c to f r o o t e x c r e t e df r e ea m i n oa c i d si nt h er h i z o s p h e r em a yb em a i n l yb a s e do nt h er o l eo f a b s t r a c t n u t r i e n t , a n ds u p p l e m e n t e d 、析t 1 1d e t o x i f i c a t i o nt oh e a v ym e t a l s 5 s o l u b l es u g a ra n ds o l u b l ep r o t e i nc o n t e n ti nkc a n d e lr o o t sa n dl e a v e s e l e v a t e dt ov a r i o u sd e g r e e su n d e rd i f f e r e n tc a d m i u mt r e a t m e n ts t r e n g t hw i t h i n2 4 h o u r s ，嬲w e l l 嬲g l u t a t h i o n ec o n t e n to ft h el e a v e s a n da l lo ft h e mw e r es i g n i f i c a n t l y h i g h e rt h a nt h ec o n t r 0 1 b u ti n7 - d a yt r e a t m e n tg r o u p s ，t h ec o n t e n t so fs o l u b l es u g a r , s o l u b l ep r o t e i na n dg l u t a t h i o n ei nb o t hl e a v e sa n dr o o t ss h o w e dt h es a m et r e n do f c h a n g i n g t h e ya l la s c e n d e da tf i r s ta n dd e c l i n e dl a t e rd u et oi n c r e a s i n gc a d m i u m s t r e n g t h t h o s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a ta l t h o u g hk c a n d e la c q u i r e dac e r t a i nd e g r e eo f r e s i s t a n c et ol o wc o n c e n t r a t i o n so fc a d m i u m ，h i g hc o n c e n t r a t i o no fc a d m i u mc o u l d c a u s ed a m a g et ot h ep l a n t s t h el o n g e rt h ee x p o s u r et i m ew a s ，t h eg r e a t e rt h eh a r m c o u l db e 6 尼c a n d e lw a sa b l et oa b s o r bc a d m i u mt h r o u g hi t sr o o t sa n dt r a n s f e r r e di tt o t h ea b o v e g r o u n do r g a n s t h ea c c u m u l a t i o nc o n t e n to fc a d m i u mw a se n h a n c e db yt h e i n c r e a s i n gs t r e n g t ho fc a d m i u mt r e a t m e n t ，a n dv a r i e di nd i f f e r e n tp a r t so fkc a n d e l , w h i c hc a nb er a n k e da sf o l l o w s ：r o o t h y p o c o t y l s s t e ma n dl e a f r o o tw a sf o u n da s t h em a i no r g a nt oe n r i c hc a d m i u m ，w h e nt r e a t m e n ts t r e n g t hr e a c h e d4 0m gk g ，t h e c o n t e n to fc a d m i u ma c c u m u l a t e di nr o o ti s 4 81t i m e st h a to ft h eh y p o c o t y l ，4 4 3 7 t i m e so f t h es t e m ，6 1 1 0t i m e so f t h el e a v e s k e y w o r d s ：m a n g r o v e ，r o o te x u d a t e s ，l o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d ，a m i n o a c i d ，c a d m i u m ，k a n d e l i ac a n d e l ( l ) d r u c e v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导f ，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其它个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 茎乡霁斜喾芎两l 高荣立态学) 课题( 组) 的研究成果，获得( 滔奥生态学 ) 课题( 组) 经费或实验 室的资助，在( 历辫学 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填 写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不 作特别声明。) 声明人( 签名) ：谢诵亨 2 罗年8 月弓d 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 t ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应 是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委 员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为 公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：自丰翔亨 , 2 0 0 7 年8 月：弓o e 1 第一章前言 第一章前言 1 红树林生态系统重金属污染研究现状 红树林( m a n g r o v e ) 是热带、亚热带河e l 海岸潮间带特有的木本植物群落【1 1 ， 是一项珍贵的生物资源，是河口海湾生态系统的主要第一生产者，由于其自身的 生理生态特征( 高生产率、高归还率、高分解率) ，为海岸生物物种多样性的建 立及稳定提供了丰富的食物来源和栖息场所，进而对维护海湾河口地区的生态平 衡起着非常重要的作用。同时，由于其分布在海岸潮间带，它不仅是较好的海岸 防护林，为人们提供建筑、化工、饲料、香料等行业的原料，还因为其特殊的景 观为旅游开发和海洋环境保护基地所用，使红树林生态系统的重要性日益受到人 们的关注。 1 1 红树林面临的污染问题 红树林生态系统是处于陆地和水生生态系统转换带之间的湿地生态系统，属 于生态脆弱敏感带，它能敏感的受到人类活动产生的逆境影响【2 1 。近年来，随着 城市及流域工农业生产的发展，农药大量使用，矿产、化工、冶金等工业排放的 “三废剧增，沿海污水排放量日益增加，河口生态系统污染日趋严重。国内外 研究者认为红树林湿地系统具有潜在的净化污水能力及过滤陆地径流和内陆带 出的有机物质和其它污染物的生态功能【3 5 】，对来自陆地的污染物有缓冲作用， 因此红树林湿地系统常被作为处理城市污水的天然场所。大量废物及污水排放进 入红树林湿地，使得红树林的环境压力日益增加【“1 0 1 。 在众多的污染物中，重金属是一类典型持久的环境污染物，红树林区由于森 林凋落物残留于林地使林区沉积物具有较高的有机质含量，同时红树林内潮流缓 慢、粘土淤泥和有机碎屑颗粒细，均有利于重金属在林内沉积物中累积【1 1 。它们 在生物体内高积累与高残留，并通过食物链的不断富集，给人类及其它生物带来 极大的潜在危害。有关红树林系统中重金属污染的问题已引起国际社会的极大关 注，成为目前研究中的重要领域之一【1 1 1 3 1 。 第一章前言 1 2 红树植物对重金属抗性的研究 1 2 1 红树植物对重金属污染的抗性 1 9 7 9 年，w r a l s h 和r i g b y 1 4 】采用人工模拟室内土培方法，研究了不同浓度 的重金属对大红树( r h i z o p h o r am a n g l e ) 幼苗生长的影响，结果表明：当重金属 p b 、c d 和h g 的浓度分别达到2 5 0 、5 0 0 、1 0 0u gg d 时，其胚轴、茎、根、叶的 生长未见明显受害症状。t h o m a s 和e o n g 1 5 】1 9 8 4 年砂培红茄冬( r m a c r o n a t a ) 和白海榄雌( a v i c e n n i aa l b a ) 幼苗，进行其抗性研究，发现这两种幼苗在p b5 0 2 5 0 m gg 、z n1 0 5 0 0m gg 。胁迫条件下的生长情况，与其对照样相似。陈荣华和林 鹏( 1 9 8 8 ) 【1 6 】用含不同浓度h g 水浇灌砂培，研究不同浓度的h g 对秋茄( k a n d e l i a c a n d e l ) 、桐花树( a e g i c e r a sc o r n i c u l a t u m ) 和白骨壤( 4 v i c e n n i am a r i n a ) 生长的 影响，发现白骨壤在1 1 0 5 m o ll 。1 的h g 浓度下仍能正常萌芽和生长，但秋茄、 桐花树胚轴生长受到抑制。郑逢中等f 1 7 】1 9 9 4 年发现秋茄幼苗在5 0m gl oc d 溶 液中萌发不受影响；当c d 浓度超过5 0m gl j 时，秋茄幼苗根长变短而粗，根毛 稀少，呈褐色，叶片萎蔫，最终植株枯萎死亡。这与杨盛昌和吴琦( 2 0 0 3 v 1 8 】用 不同浓度c d 对桐花树种苗生长影响的研究结果一致。 目前，红树植物重金属抗性的研究限于z n 、p b 、h g 、c d 等少数元素的单因 子栽培实验，且大多仅以形态指标来评价重金属的毒性【1 9 1 。有关复合重金属对 红树植物影响的研究刚刚起步，如：m a c f a r l a n e 等【2 0 】对白骨壤进行z n 、p b 复 合污染抗性研究时发现：低浓度下，植株正常生长，变化不显著；高浓度时，植 株高度受到显著抑制，生物量降低，植株死亡率增加。m 和t a m t 2 1 】用含不同 浓度的c u 、z n 、c d 、c r 和n i 配置成3 个级别的人工污水对木榄( b r u g u i e r a g y m n o r h i z a ) 种苗进行抗性研究，结果显示，高处理级别的人工污水( c u 、z n 、 c d 、c r 和n i 的含量分别为3 0 、5 0 、2 、2 0 和3 0m gl d ) 所处理的植株明显受 到损伤，成熟叶提前变黄、脱落，生物量变少；而中轻度级的人工污水对木榄幼 苗的生长影响不明显。 环境中过量的重金属会限制植物的正常生长与发育，但以上研究表明红树植 物对重金属有一定的抗性，不同红树植物对同一重金属的抗性有差异，同一红树 植物对不同重金属的抗性也不同，这是由于长期生活在重金属污染环境下，红树 植物形成了相应的抗性机制，以保证其在不利环境中顺利完成生活史。 2 第一章前言 1 2 2 红树植物对重金属污染的抗性机制 1 2 2 1 根部富集 大量研究表明，红树植物的根部是重金属离子累积的主要部位，特别是重金 属p b 、c d 等，地上部位含量极低，这在一定程度上提高了红树植物的抗性 1 1 , 9 , 1 5 , 2 2 2 5 1 。目前对上述现象有以下几种观点：红树植物为盐生植物，其耐盐机制 使之对各元素的吸收具有高度的选择性；红树植物的根具有发达的凯氏带，防止 根部吸收过多的重金属和运输有害物质【1 9 】；红树植物生长环境具有其特殊性， 其根际环境特别是根际p h 变化、e h 状况、根系分泌物、根际微生物效应、金属 有机成分的改变等可能影响了红树植物根系对重金属的吸收和运输【2 6 】。 1 2 2 2 吸收到体内的重金属重新排出体外 n i e s 等【2 7 】研究不同耐性植物的金属离子吸收与代谢关系时，认为耐性植物 的原生质膜有主动排出金属离子的作用。红树植物吸收到体内的重金属离子也能 被其排出体外，如白骨壤种苗在5 0 0u gg 1z n 处理的土壤中培养7 个月后，通过 s e mx r a y 微分析仪分析发现：叶片中过剩的z n 离子能够有效地通过叶表面的 盐生腺体和其它腺体以及具有腺体功能的表皮毛排出体外，减少体内的储存量， 减轻重金属z n 对植株的毒害【2 引。该现象证实了d r e n n r a n 和p a m m e n t e r 【2 9 】所推 测的耐盐植物白骨壤叶表面应具有丰富的腺体组织，用来排出体内所吸收的过剩 离子，从而维持植物在盐生环境中渗透压的平稳，保证植株的正常生长。另外， 红树植物还可以把有害的物质包括重金属离子等转移到老叶中，通过老叶的脱落 实现有害成分的排除。 1 2 2 3 抗氧化系统的增强 重金属胁迫与其它形式的氧化胁迫相似，也能导致大量的活性氧自由基产 生，使蛋白质和核酸等生物大分子变性，引起膜脂过氧化，从而损伤植物。但植 物在生物系统进化过程中，细胞也形成了清除这些活性氧的保护体系，酶性清除 剂主要有超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、 抗坏血酸过氧化物酶( a s a p o d ) 、脱氢酸抗坏血酸还原酶( d h a r ) 、谷胱甘肽 还原酶( g r ) 、谷胱甘肽过氧化物酶( g p ) 和生育酚( v i t e ) 等。非酶性抗氧化 3 第一章前言 剂主要有还原型谷胱甘肽( g s h ) 、抗坏血酸( a s a ) 、类胡萝卜素( c a r ) 和半 胱氨酸( c y s ) 等。m a c f a r l a n e 和b u r c h e t t ( 2 0 0 1 ) f 2 0 】研究白骨壤组织中p o d 活 性水平与土壤中不同浓度的c u 、z n 、p b 的关系时发现：当c u 浓度为0 - 8 0 0u gg 。1 时，p o d 总活性呈线性递增；当p b 浓度为0 - 8 0 0u gg d 时，p o d 总活性有增加 的趋势，但并不呈线性关系；当z n 浓度为0 1 0 0 0u gg d 时，其含量与白骨壤组 织中p o d 总活性成强的正相关。杨盛昌和吴琦( 2 0 0 3 ) 【1 8 】发现c d 浓度在o 1 5 u gl 。1 时，桐花树幼苗中的p o d 和s o d 活性均有所提高，但当浓度 0 1 5u gl 。1 时，p o d 和s o d 活性都出现了不同程度的下降，这可能是植物体内所产生的活 性氧自由基超过了它们的清除能力极限，对植物组织细胞中的多种功能膜及酶系 造成了破坏，抑制了它们活性的增加。 1 2 2 4 螯合作用 植物细胞质中游离的重金属离子可以与肌醇六磷酸、苹果酸盐、柠檬酸盐、 草酸盐、谷胱甘肽和组氨酸以及金属螯合蛋白等形成稳定的螯合物，从而降低重 金属的毒性【3 2 1 。有关金属螯合蛋白解毒机制的研究有很大进展，主要集中在 金属硫蛋白( m t ) 和植物螯合素( p c ) 两个方面【3 3 1 。 植物在受到重金属胁迫后能产生低分子量的m t 和p c 。m t 是一类由基因 编码的低相对分子质量的富含半胱氨酸的多肽，可通过c y s 残基上的巯基与金属 离子( c u 、z n 、p b 、h g 、c d ) 等结合成无毒或低毒的络合物，从而避免重金属 以自由离子的形式在细胞内循环，减少或消除重金属对细胞的毒害。p c 是与 m t 类似的另一类重金属专一性诱导的结合蛋白，其一级结构为( y - g l u g y s ) n x ， 其中g l u 为谷氨酸、c y s 为半胱氨酸，n 为2 8 ，x 为不同c 端氨基酸，通常为 g l y ( 甘氨酸) 【2 9 1 。许多重金属如c d 、p b 、z n 、s b 、a g 、c u 、t e 和w 都可诱 导p c ，目前已分离提纯c d p c 结合体，c u p c 结合体，z n p c 结合体等【3 4 1 。p c 通过s h 与金属离子螯合后，降低细胞内游离的重金属离子含量，防止金属敏感 酶活性失活，从而减轻了重金属对植物的伤害。 对于红树植物而言，目前还没有金属结合蛋白的报道。其体内是否存在多种 酸、盐、金属螯合蛋白或植物螯合素与重金属离子形成稳定螯合物，达到降解重 金属的毒害等机制也是将来的研究方向。 4 第一章前言 1 2 2 5 细胞壁沉淀、液泡等细胞器的区域化 研究表明，有些植物将重金属如p b 、c u 、z n 、c d 等大量沉积在细胞壁上， 以此来阻止重金属对细胞内容物的伤害。m o l o n e 等 3 5 】在电子显微镜下的观察直 接证明了细胞壁沉淀重金属离子的作用。m a c f a r l a n c e 和b u r c h e t t ( 1 9 9 9 ) 【2 8 】发现 红树植物白骨壤的细胞壁积累了大量的重金属离子z n ，这可能是重金属离子z n 与细胞壁上的多聚半乳糖醛酸和碳水化合物形成沉淀，大大降低了细胞质中自由 的金属离子浓度，阻止了金属离子对植物正常代谢的干扰。 还有一些植物可以把重金属离子运输到液泡或其它细胞器中进行区域化的 隔离，这可能是由于液泡等细胞器中含有的各种蛋白质、糖、有机酸、有机碱等 物质都能与重金属结合成稳定的络合物。w a n g 3 6 在模拟烟草液泡中c d 的化学 状态时发现，液泡内的c d 与无机酸根能形成磷酸盐沉淀，以降低c d 的毒性。 r a u s e r 和a c k e r l e y l 3 7 】在电子显微镜下观察到c d 在植物液泡中的结晶，更直接地 证明了植物液泡对重金属元素的区域化作用。 目前有关红树植物液泡等细胞器对重金属区域化的研究几近空白，红树是否 具有以上机制是值得研究与探讨的。 1 2 2 6 根系分泌物的作用 根际是植物营养学、酶学、化学生态学、土壤学和环境科学的交汇处，是土 壤微生态系统的重要组成部分。在植物生长过程中，根系不仅从环境中摄取水分 和养分，同时也向生长介质中分泌质子、释放无机离子、溢泌或分泌大量的有机 物，这就是植物根系的分泌作用。在重金属污染的土壤中，根系分泌物可以改变 重金属的生物活性从而改变重金属的生物有效性，减轻重金属对植物的毒害。 许多研究表明，植物在受到重金属毒害时会增加根系分泌物的产生和积累， 并且能够吸附重金属。实验证明，烟草属( n i e o t i a n a ) 植物、小麦根分泌物能够 促进重金属c d 的溶解i 3 8 , 3 9 。根系分泌的有机酸如柠檬酸、酒石酸、草酸、琥珀 酸以及氨基酸如天冬氨酸和谷氨酸等可以活化c d 、c u 、z n 、p b ，各种有机酸对 c d 的活化能力最强，而对p b 的活化能力最弱【4 0 】。此外，一些根系分泌物( 主要 是高分子凝胶物质) 能对重金属产生吸附、络合作用，从而使其固定，减轻其毒 性，被认为是重金属向根系迁移的“过滤器”。 5 第一章前言 综上所述，红树植物抗重金属污染机制涉及到植物复杂的生理、生化等多种 代谢过程，应全面考虑重金属离子是如何进入植物体内及在植物体内的运输( 环 境一一细胞间一一细胞内一一细胞器一一组织一一系统) 和重金属离子在细胞内的活 动等( 重金属的累积、代谢、对细胞功能的破坏及被螯合、区域化等) 才能弄清 楚红树植物的整体抗性机制【4 1 1 。 2 根系分泌物研究概况 2 1 根系分泌物的定义 根系分泌物确切定义的争论由来已久，其中1 9 7 9 年r o v i r a t 4 2 】和w a r e m b o u r g 【4 3 】的定义被认为是经典定义。综合前人观点，广义的根系分泌物( r o o te x u d a t e s ) 应包括4 种类型：1 、渗出物，即细胞中主动扩散出来的一类低分子量的化合物； 2 ) 分泌物，即细胞