根細胞壁及其組分差異對植物吸附、轉運Zn的影響

陳世寶,孫 聰,魏 威,林 蕾,王 萌 (中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部植物營養與施肥重點實驗室,北京 100081)

根細胞壁及其組分差異對植物吸附、轉運Zn的影響

陳世寶*,孫 聰,魏 威,林 蕾,王 萌 (中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部植物營養與施肥重點實驗室,北京 100081)

采用水培實驗,研究了不同植物根細胞壁組分差異對Zn吸收、轉運的影響及其機制.結果表明,在50mg/LZn處理下,不同植物對Zn的吸收、轉運系數順序為:小白菜≈芥菜≈生菜＞青椒＞西紅柿＞水稻,而在20mg/L Zn處理下,生菜莖葉中Zn的轉運系數則大于芥菜,這可能與低濃度條件下Zn對生菜產生的低劑量刺激效應有關;利用植物活體根細胞解吸法對不同植物活體根系細胞壁中的Zn含量測定結果表明,不同植物的根細胞壁在去除了果膠成分后,根細胞壁中 Zn的含量顯著增加,其中水稻根細胞壁增加最大,達到 53.7%,增加最小的是青椒(21.1%),而去除半纖維素后則顯著降低了不同植物根細胞壁中Zn的含量,尤其是水稻根細胞壁最明顯;吸附動力學實驗表明,不同處理后的細胞壁對Zn的吸附是個快速反應過程,在吸附30min內所有處理均達到最大吸附量的91%以上,去除果膠顯著增加不同細胞壁對Zn的吸附量,而進一步去除半纖維素后,不同細胞壁對 Zn的最大吸附量顯著下降.以上結果表明,半纖維素含量的增加明顯提高了不同植物根束縛Zn的能力而降低向地上部的運輸.

鋅；植物；細胞壁；轉移系數；吸附動力學

根細胞壁是重金屬進入植物體進行吸收、轉運的第一道屏障.研究重金屬在不同植物根系中的細胞、亞細胞分布規律對重金屬在木質部轉運的影響,對探明不同植物對重金屬污染脅迫的耐性機制具有十分重要的意義[1].植物根細胞壁可分為初生細胞壁和次生細胞壁,初生細胞壁主要由纖維素、半纖維素、果膠以及蛋白質等組成[2-3].纖維素和半纖維素是細胞壁中主要的結構性多糖,起到維持細胞形狀以及膨壓的作用[3].目前,不同植物根系細胞壁對不同重金屬的累積雖然已有較多報道[1,4-10],但在細胞壁對重金屬的吸附研究中,不同植物的細胞壁組分構成及其對重金屬吸附或絡合等過程的貢獻及其機制還有待進一步闡明.本文在前期不同種類植物對 Zn吸收敏感性篩選研究的基礎上,對不同植物根細胞壁組成與Zn的吸收、轉運間的耦合關系進行了研究,以期為探明不同植物對Zn脅迫的耐性機制提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物選擇了本課題組前期[11]Zn毒性敏感性不同的植物類型共計 6種.具體包括:芥菜(Brassica campestris L.)、生菜(Lactuca sativa)、小白菜(Brassica chinensis L.)、青椒(Capsicum frutescens)、西紅柿(Lycopersicon esculentum)以及水稻(Oryza sativa).

1.2 實驗處理

將不同植物種子在10% (V/V) H2O2中表面消毒10min后,沖洗干凈,以去離子水浸泡12h,取出種子放于潤濕的紗布中直到種子露白,挑選出大小一致的種子播種于石英砂的塑料杯中,每盆中放置10棵種子放置于生長箱,生長箱的光照時間保持在14h,光強度約為280μmol/(m2×s),相對濕度保持在80%,晝夜溫度保持在20～25℃.生長期間,定期補充營養液[9],并采用稱重法維持培養基質固定的含水量,置于生長箱中培養14d.

試驗 1:不同植物對 Zn吸收、轉運的影響.生長箱中培養14d后,挑選生長一致的不同植株12棵轉移到含有 Zn濃度分別為 0(CK),20, 50mg/L的1/4強度的Hoagland營養液的PVC培養筒(直徑8.0cm,高15cm)中,每個培養筒3株植物,每個處理4次重復,以2.0mmol/L的2-嗎啉乙磺酸緩沖液(MES)調節溶液pH6.0.營養液每2周更換一次,置于生長箱進行培養.在培養期間每隔3d更換一次營養液.28 d培養結束后,將植株取出并以去離子水沖洗干凈后,分開地上部分以及地下部分,地上部分經過清洗、70℃烘干后消化測定其 Zn含量;將地下部分先經過去離子水沖洗,然后以25mL的10mmol/L EDTA溶液浸泡5min,以去除根表吸附的 Zn,然后再將根用去離子水沖洗干凈,經過 70℃烘干后,經過消化以(石墨)原子吸收光譜法(F-AAS; Varian 220Z)測定植株地上和根中Zn的含量.

試驗2:不同植物根細胞壁組分提取及對Zn吸收、轉運的影響.挑選生長一致的不同植株12棵轉移到含有Zn濃度分別為0(CK),20,50mg/L的1/4強度的Hoagland營養液中培養,除了細胞壁成分提取需要將CK設置8個重復外,其他Zn的暴露試驗與試驗1相同.試驗結束后,將收獲不同植物根系收獲后于液氮中研磨至粉末狀,按照Zhong等[12]的方法提取根系細胞壁.將根系粉末置于50mL離心管中以 75%冰乙醇沖洗15min后,10000r/min離心15min,并分別以冰丙酮、冰甲醇/氯仿混合物(1:1,V/V)及冰甲醇沖洗、10000r/min離心 15min,將沉淀冷凍干燥,即為根細胞壁.不同細胞壁組分中 Zn含量測定:將0.200g根細胞壁粉末置于 10mL 0.5%草酸銨緩沖液,在80℃水浴中振蕩30min后,10000r/min離心 15min,上清液即為果膠;將沉淀用去離子水沖洗后冷凍干燥,用4mL 4% NaOH于室溫下振蕩離心(10000r/min),上清液即為半纖維素.經過消化以(石墨)原子吸收光譜法測定不同處理細胞壁中Zn的含量.

1.3 細胞壁及其組分對Zn的吸附

按照試驗步驟 2,提取試驗 2中不同植物對照處理中不同植物的根細胞壁組分,包括細胞壁、去除果膠后細胞壁及去除半纖維素的細胞壁成分.向250mL離心管中加入0.50g不同細胞壁組分,然后向每個離心管中加入 200mL濃度為200mg/L的Zn溶液(以ZnSO4·7H2O配制).處理液的離子強度采用0.1mmol/L KNO3維持,pH值以0.1mol/L的HNO3/KOH維持在6.0.將上述溶液置于25℃水浴中恒溫振蕩,并分別于1, 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120min取8mL懸濁液離心(10000r/min),以(石墨)原子吸收光譜法測定平衡液中Zn的濃度.

1.4 數據統計

所有實驗數據均采用 Excel2007和SPSS13.0分析軟件進行處理,LSD法檢測差異顯著性(P＜0.05).實驗結果以各個處理下 4個重復的平均值±標準誤來表示.

2 結果與討論

2.1 不同植物對Zn的吸收、轉運系數

從圖1中可以看出,在2種不同添加Zn濃度條件下,不同植株根及莖葉中 Zn的濃度有顯著性的差異(P＜0.05),根及莖葉中Zn的濃度隨著培液中 Zn濃度的增加而增加.其中,在高濃度(50 mg/L)處理條件下,不同植物莖葉中Zn的濃度順序為:小白菜≈生菜＞芥菜＞青椒＞西紅柿＞水稻,而在低濃度(20 mg/L)處理下,順序則表現為小白菜＞青椒＞生菜≈芥菜≈西紅柿＞水稻.

從圖1B中可以看出,和植株莖葉中Zn含量變化趨勢一樣,隨著水培液中Zn濃度的增加,根系中的Zn含量顯著增加 (P＜0.05).在高濃度(50mg/L)處理條件下,不同植物根中Zn的濃度順序為:水稻＞生菜≈青椒≈芥菜＞西紅柿≈小白菜,相對于高濃度處理而言,低濃度(20mg/L)處理下不同植株根中Zn的濃度變化差異不大,Zn的濃度順序為青椒≈小白菜≈芥菜＞西紅柿＞生菜≈水稻.

植物地上莖葉與根部重金屬含量的比值稱為重金屬的轉移系數(TF).轉移系數常被用來衡量不同植物體對重金屬從根部到地上部的有效轉移程度.轉移系數越大,植物對重金屬的轉運能力越強.植物對重金屬的吸收、轉運不僅與重金屬的元素種類、離子價態及重金屬在環境中共存離子的濃度等有關,而且與植物種類有十分重要關系[13-14],植物根細胞壁組成不同,對重金屬離子在植物體內的向地上部分的轉運能力也有很大差異[4,12].從表 1可以看出,在相同 Zn處理濃度條件下,不同植物莖葉對Zn的轉運系數有顯著性差異,在較低濃度20mg/L處理下,植物對 Zn的轉運系數變化為0.14～0.49,小白菜＞生菜≈芥菜≈青椒≈西紅柿＞水稻,而在高濃度50mg/L處理下,小白菜≈芥菜≈生菜＞青椒＞西紅柿＞水稻.不同處理濃度條件下轉運系數的變化可能與不同植物在低濃度20(mg/L)條件下對Zn的刺激效應有關[15].從表1還可以發現,除對照處理外,在不同Zn處理濃度間,隨著處理濃度的增加,不同植物對 Zn轉運系數有降低的趨勢.

圖1 水培條件下不同植物根、莖葉中Zn的含量Fig.1 Zn content in the shoots and roots of plant species under hydroponic culture

表1 不同植物在水培條件下對Zn的轉移系數Table 1 Transfer factors of Zn by plant species under hydroponic culture

2.2 不同根細胞壁組分中 Zn的含量及其與植物Zn吸收的關系

細胞壁是重金屬進入植物原生質體的第一道屏障,細胞壁對于重金屬離子的絡合能力大小對植物重金屬脅迫的耐性機制有非常重要的作用[4,16].為了測定不同植物根細胞壁在水培條件下對Zn的絡合性質的差異,本試驗采用植物活體根細胞解吸的方法[3],測定不同植物活體根系細胞壁中的Zn含量,以期為探明不同植物對 Zn脅迫的耐性機制提供依據.在50mg/L處理下,不同植物根細胞壁及其不同細胞壁組分中Zn的含量見表2(20mg/L處理的結果與 50mg/L結果類似,此處省略).實驗結果表明,不同植物細胞壁中Zn的含量隨著Zn處理濃度的增加而顯著增加(P＜0.05);不同植物根系細胞壁中Zn的含量有顯著性差異,最大含量達到 436.9mg/(kg FW),與最小含量[237mg/ (kg FW)]相差1.84倍.

表2 在50mg/L Zn處理下根及不同細胞壁組分中Zn的含量Table 2 The Zn binding-capacity of different parts of roots under 50mg/L Zn treatments

本實驗中,由于測定方法的不同,細胞壁和根系中Zn的含量分別以鮮重和烘干重作為基重,從細胞壁所結合的Zn含量占在根系吸收Zn含量的百分數變化可以看出,不同植物細胞壁所結合的Zn含量(鮮重基數)占在根系吸收Zn含量(干重基數)的百分數變化從 59.2%(芥菜)到 87.3%(水稻),這反映了不同植物根細胞壁是植物根系重金屬的主要積累部位,植物可以通過將Zn固定在細胞壁內減輕Zn對植物的損傷,通過增加細胞壁中Zn的濃度,降低了Zn向原生質體的轉運,從而能增加植物對Zn毒害的耐性.為了進一步探明不同植物根細胞壁在植物Zn吸收差異性機制,對不同植物根細胞壁組分在細胞壁絡合 Zn中的作用進行了研究.不同植物根細胞壁去除果膠及果膠(P)、半纖維素(HC)后Zn的含量見表2.結果發現,不同植物的根細胞壁在去除了果膠成分后,細胞壁中Zn的含量顯著增加,增加 21.1%～53.7%,增加最大的是水稻處理,而最小的是青椒;進一步去除半纖維素后,細胞壁中 Zn的含量則顯著下降(表 2),降低40.8%～55.0%,降低最大的是水稻處理,而最小的是芥菜.Zn在植物根細胞壁中的亞細胞分布與Zn對各個細胞器的毒性有直接關系.細胞壁中有很多負電基團可以對帶正電荷的重金屬離子(Zn)起到絡合、固定作用[18],而根細胞壁對于Zn的絡合作用對降低其跨膜運輸、減輕Zn脅迫起到了非常關鍵的作用.從表 2可以看出,不同植物細胞壁中半纖維素的含量對根細胞壁中 Zn的含量具有顯著的影響,以上結果表明,半纖維素含量的增加明顯提高了不同植物根束縛Zn的能力而降低Zn向地上部的運輸.

圖2 根細胞壁及其不同組分對Zn吸附的影響Fig.2 Effects of the root cell walls and its’ components on Zn adsorption under 200mg/L Zn treatment

2.3 不同植物根細胞壁組分對Zn的吸附

細胞壁由纖維素/半纖維素、果膠以及蛋白質等多種組分組成,所以細胞壁對 Zn的吸附能力也必然要受到細胞壁各個組成成分的影響.不同處理后(去除果膠及同時去除果膠和半纖維素處理)的植物細胞壁組分在等溫條件下 Zn的吸附擬合曲線見圖2所示,從圖2中可以看出,不同處理后的根系細胞壁及其組分對溶液中Zn的吸附是一個由快速吸附過程和接近最大吸附量的吸附“平臺”過程組成.在吸附30min后,不同植物不同處理的細胞壁成分對Zn的吸附基本達到了“平臺”階段,對溶液中Zn的吸附量達到最大量的91%以上.

從圖2中還可以看出,就相同植物的不同處理的細胞壁成分間,去除果膠后的細胞壁對 Zn的吸附量最大,其次是原細胞壁和去除果膠和半纖維素成分后的細胞壁.而在不同植物的細胞壁及其不同處理的細胞壁成分中,不同處理對 Zn的吸附量之間存在顯著性差異(P＜0.05).就原細胞壁成分而言,在測定時間內,水稻根細胞壁對Zn的吸附量最大,達到 33.7mg/g,芥菜根細胞壁吸附量最小(18.1 mg/g),與 2種植物根細胞壁中Zn的含量變化趨勢一致;而去除果膠成分后,顯著提高了不同植物根細胞壁對 Zn的吸附能力.在去除果膠后細胞壁對 Zn的吸附量中,水稻根細胞壁處理吸附量最大,達到69.2mg/g,而芥菜吸附量最小(27.1mg/g),對Zn吸附量大小的順序為:水稻＞生菜＞青椒＞西紅柿＞小白菜＞芥菜.不同植物細胞壁同時去除果膠和半纖維素后,細胞壁對Zn的吸附量卻顯著降低,與去除果膠后的細胞壁Zn吸附相比,水稻根細胞壁去除果膠和半纖維素后對 Zn最大吸附量降低幅度最大,達到 56.5%,其次分別為西紅柿＞小白菜＞青椒＞生菜＞芥菜.比較細胞壁去除果膠后對Zn的吸附和細胞壁去除果膠和半纖維素后的吸附擬合曲線發現,半纖維素對細胞壁吸附 Zn的影響很大,特別是對于水稻根細胞壁而言,去除半纖維素后大大降低了根系細胞壁對 Zn的吸附能力,這說明半纖維素是植物細胞壁固定 Zn的重要部位,這也和前期類似的研究結果[4,19-21]一致,細胞基質中的半纖維素是陽離子結合的主要位點.

3 結論

3.1 水培實驗結果表明,在高濃度(50mg/L)Zn處理下,不同植物對Zn的吸收、轉運系數順序為:小白菜≈芥菜≈生菜＞青椒＞西紅柿＞水稻,而在低濃度處理下,生菜莖葉中 Zn的轉運系數則大于芥菜,這可能與低濃度條件下 Zn對生菜產生的低劑量刺激效應有關.

3.2 不同植物的根細胞壁在去除了果膠成分后,根細胞壁中 Zn的含量顯著增加,其中,水稻根細胞壁的處理增加最大,達到 53.7%,增加最小的是青椒根細胞壁處理(21.1%);而去除半纖維素后則顯著降低了不同植物根細胞壁中Zn的含量.

3.3 利用不同根細胞壁及其去除果膠、果膠和半纖維素后對 Zn的吸附結果發現,去除半纖維素后大大降低了不同植物根細胞壁對Zn的吸持能力,尤其是水稻根細胞壁最明顯.細胞壁中半纖維素的含量對根束縛Zn離子從而阻止向地上部的運輸具有十分重要的意義.

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Difference in cell wall components of roots and its effect on the transfer factor of Zn by plant species.

CHEN Shi-bao*, SUN Cong, WEI Wei, LIN Lei, WANG Meng (Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilization, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1670～1676

A hydroponic culture experiment was conducted to investigate the uptake and transfer factor (TF) of zinc (Zn) by different plant species, the translocation and the redistribution of Zn in the cell wall and its’ components were also studied. The results showed that the Zn uptake and its translocation differed significantly between six cultivars, the largest shoot Zn concentrations were found in Chinese cabbage and lettuce, while rice had the largest Zn concentration in root. With the addition of 50mg/L Zn in solution, the shoot to root transfer factors of Zn by plant species followed: Chinese cabbage ≈ leaf mustard ≈ lettuce＞sweet green pepper ＞ tomato ＞ rice, however, the TF of lettuce exceeded the leaf mustard under the lower addition concentration (20mg/LZn), it’s probably related with the hormesis of Zn phyto-toxicity to lettuce. The Zn immobilization by cell wall was an important mechanism for Zn detoxification. By the in-situ desorption technique, the Zn accumulation in cell walls and their components were measured. The result showed that the Zn contents of cell walls increased significantly after removing pectin among plant species, the largest increment of 53.7% was found with rice while the least (21.1%) with sweet green pepper. The result of adsorption kinetics of Zn on the root cell walls indicated the adsorption of Zn by raw cell walls and treated cell walls was a fast reaction, more than 91% of total Zn was adsorbed by the adsorbents within 30min, the adsorption maximum of Zn by cell walls increased significantly after removing pectin among plant species, on the contrary, the adsorption maximum of Zn by cell walls decreased remarkably after removing pectin and hemicellulose, especially with the cell walls of rice. The results indicated that the hemicellulose components in cell walls played an important role in bonding Zn and thereafter reducing the translocation of Zn in xylem in plants.

zinc；plant species；cell wall；transfer factor；adsorption kinetics

2012-01-10

國家自然科學基金資助項目(21077131);農業部農業公益性行業專項(200903015,201103007)

* 責任作者, 研究員, sbchen@mail.caas.net.cn

X503.23

A

1000-6923(2012)09-1670-07

陳世寶(1971-),男,安徽馬鞍山人,研究員,博士,從事土壤中重金屬環境行為與環境質量研究.發表論文60余篇.