銅和營養缺失對海州香薷兩個種群生長、耐性及礦質營養吸收的差異影響

柯文山,陳世儉，熊治廷，吳明煜,李亞東

(1. 湖北大學生命科學學院, 武漢 430062；2. 中國科學院地球測量與物理研究所，武漢 430077；3. 武漢大學資源與環境科學學院，武漢 430079)

銅和營養缺失對海州香薷兩個種群生長、
耐性及礦質營養吸收的差異影響

柯文山1,*,陳世儉2，熊治廷3，吳明煜1,李亞東1

(1. 湖北大學生命科學學院, 武漢 430062；2. 中國科學院地球測量與物理研究所，武漢 430077；3. 武漢大學資源與環境科學學院，武漢 430079)

以來自銅礦區(CS)和非礦區(UCS)兩個海州香薷種群為對象，通過室內水培實驗，分析了兩種群幼苗在銅及營養缺失脅迫下植物生長、銅富集及礦質營養含量的差異。結果顯示，銅、低營養脅迫及其相互作用對非礦區種群生長具有明顯的抑制作用，而對礦區種群的影響則遠比非礦區種群小，且較低銅濃度(25μmol/L Cu)明顯促進了礦區種群的生長；從耐性指數結果看，礦區種群銅耐性指數和營養脅迫耐性指數均高于非礦區種群。這表明礦區種群不僅進化為銅耐受種群，同時也進化成營養脅迫耐受種群。低營養脅迫明顯促進了植物對銅的吸收和運轉，如在低營養脅迫和25μmol/L Cu復合處理下，礦區種群根銅含量約為單一銅處理的25倍，非礦區種群是單一銅處理5倍多。低營養脅迫和過量銅顯著減少了非礦區種群礦質營養元素如P, Mg, K和Mn的吸收積累，而礦區種群則仍然能保持相對穩定；在銅和營養缺失復合作用下，兩個種群礦質營養除Ca 和部分Fe外，均顯著減少，但礦區種群減少程度明顯比非礦區種群小。這些結果表明，礦區種群在脅迫條件下具有保持營養相對穩定和平衡的能力，這種能力使其能在高銅污染和營養缺乏的土壤中正常生長和定居。

海州香薷；銅耐性；營養缺失耐性；礦質營養積累

銅雖然是植物必需微量元素，但過量能引起植物其它必需元素的缺失[ 1- 2 ]。植物體內這些元素的缺失常常是重金屬中毒的表現[ 3 ]。然而，和敏感植物相比，重金屬抗性植物表現出對礦質元素缺失有更高的耐受性[ 3- 4 ]。以前的研究主要都集中在重金屬的吸收、蓄積和耐性以及重金屬對一些元素含量的影響[ 5- 6 ]，很少知道銅礦區耐受種群是否對營養缺失也有耐受性，更不清楚這種銅耐受性和營養缺失耐受性有何關系。

海州香薷(ElsholtziahaichowensisS.)俗稱銅草，廣泛分布于長江流域，尤其在銅礦區，該植物是這些礦區旺盛生長的優勢植物之一，是一種Cu礦指示植物[7- 8]。研究表明，海州香薷對Cu具有很強的富積能力和耐受能力[9- 10]，是一種可應用于重金屬污染土壤修復的本土資源植物[11]。且近年來的研究顯示，生長于銅礦區或銅污染區的海州香薷在銅吸收控制、銅區隔脫毒、耐性蛋白等方面具有一系列耐銅機制[12- 20]。該植物也在非礦區有生長，但與礦區種群相比，其銅吸收對策、耐性、生理生化方面明顯不同于礦區種群[16,21- 24]。銅礦廢棄地由于長期開采和冶煉，導致土壤裸露，水土流失，污染嚴重，土壤不僅銅濃度高，而且營養也不足[25]。生長于銅礦區的海州香薷已進化形成很強的銅耐性，是否也進化為營養缺失耐性？為此，本研究擬通過水培實驗對來自礦區和非礦區的海州香薷不同種群的對比研究，分析其對銅的耐受性和對營養缺失耐受可能的差異，揭示銅耐受性和營養缺失耐受性的關系。

1 材料和方法

1.1 植物材料和預處理

植物種子的采集、選擇、消毒和萌發見文獻[21]。種子萌發后，選擇一致的小苗種于酸洗過的石英砂中培養，每天澆1/2Hogland營養液(HS)。營養液的組成(mmol/L):5KNO3, 5Ca(NO3)2·H2O, 2 MgSO4·7H2O, 1 KH2PO4, 0.02 FeSO4·7 H2O 和 0.02 Na2-EDTA, 0.045 H3BO3, 0.01 MnCl24 H2O, 和微量元素 (μmol/L) 0.8 ZnSO4, 0.3 CuSO4·5 H2O, 0.1 NaMoO4·2 H2O. 溶液pH用 0.1mol/L NaOH or 0.1mol/L HCl 調節至5.5±0.3。

1.2 銅和營養缺失處理

待幼苗長至6—8片小葉時，選擇一致的幼苗用于水培實驗。幼苗轉移到裝有500mL營養液(HS)白色塑料碗中。預培養1周后，分別給以不同銅水平處理(對照，25 和100μmol/LCu2+(CuSO4·5 H2O))、全營養缺失處理(1/50HS)或Cu和營養缺失復合處理。每3天換1次營養液，每處理3個重復, 每盤4株。14d后收獲測定根長、生物量及元素分析。

1.3 耐受指數的確定

銅耐受指數計算用根長指數法[15]，營養缺失耐受根據Antosiewicz于1995年的方法，即，用處理植物的干生物量相對于對照生物量的百分數來表示。

1.4 元素分析

收獲的植物根系用5 mmol/L冷 Pb(NO3)2洗30min以脫去根表面吸附的銅，再用蒸餾水洗3次。然后分為根和地上部分，于70℃烘48h。干樣磨成粉，濕消化法消化[15]。P元素用比色法測定，K用火焰分光光度計(6400-A，上海分析儀器廠)測定，其它如Cu, Ca, Mg，Fe等元素在等離子發射光譜儀(ICP-OES)上測定。

1.5 統計分析

二維方差分析方法分析處理(因素1)和種群(因素2)的差異(P<0.05)，鄧肯多重比較分析各處理間差異的顯著性。

2 結果

2.1 銅、全營養缺失處理條件下，海州香薷礦區和非礦區種群的耐性和生物量差異

不同銅濃度處理幼苗14d后，兩個種群的根長耐性指數表現出明顯差異(圖1): 礦區種群(CS種群)顯著高于非礦區種群(UCS種群)(P<0.01)。較低Cu濃度(25μmol/L)明顯促進CS種群根的生長(P<0.01)，較高濃度(100μmol/LCu)沒有明顯的影響；而兩個處理濃度對UCS種群根生長有顯著的抑制作用。

在全營養缺失脅迫下，CS種群根生物量顯著高于UCS種群(P< 0.01)(圖2)，且營養缺失促進了CS種群根的生長而抑制UCS種群根的生長；兩個種群地上部分的生長明顯抑制，但CS種群仍然顯著高于(P<0.001)UCS種群。

圖1 水培條件下海州香薷銅礦區(CS)和非礦區(UCS)兩個種群對銅的耐受性Fig.1 Tolerance index of two Elsholtzia haichouensis populations from Cu mine site (CS) and uncontaminated site (UCS) in hydroponic experiments圖中不同字母表示顯著性差異(P<0.01)

圖2 海州香薷兩個種群對全營養缺失的耐受性Fig.2 Tolerance difference of general nutrient deficiency between two E.haichouensis populations**指示種群間的顯著性差異(P<0.01)

不同銅濃度處理對兩個種群生物量(相對生物量)的影響表現出明顯差異(表1)。較低濃度銅(25μmol/LCu)處理時， CS種群生物量明顯增加，較高濃度銅(100μmol/L Cu)處理則略有降低，但沒有表現出顯著性；而UCS種群生物量在不同濃度銅均有顯著減少。在銅與全營養缺失脅迫(1/50HS)復合作用下，海州香薷兩個種群生物量都明顯降低，但仍然可看出兩個種群的差異：CS種群的生物量(相對生物量)普遍高于UCS種群，除了根在1/50HS和100μmol/LCu復合處理中沒有顯著差異外，其它都達到顯著水平。和單一銅處理相比，復合脅迫條件下的兩個種群的生物量都明顯低于相應銅處理水平，但礦區種群仍然高于非礦區種群。

表1銅及與全營養缺失(1/50HS)復合脅迫對海州香薷兩個種群生物量的影響

Table1Relativebiomasses(% of controls)oftwoE.haichouensispopulationsindifferentCuandmixturewithgeneralnutrientdeficiencytreatments(1/50HS)

Cu(μmol/L)+HSTreatment根生物量Rootbiomass/%UCSCS地上生物量Shootbiomass/%UCSCSCK100.00±5.35a100.00±7.01b100.00±5.81a100.00±3.11b2541.62±2.62b118.26±13.56a74.16±5.68b119.75±1.45a10033.34±4.36c96.07±3.63b52.09±5.72c97.67±2.25b1/50HS+2529.03±6.30c55.43±9.22c47.39±8.22c61.03±2.05c1/50HS+10025.25±2.15d30.78±1.49d41.97±2.40d52.11±5.16d

同一行中的不同字母表示顯著差異(P<0.05) (鄧肯多重比較)

3.2 營養缺失對海州香薷Cu吸收、積累及運轉的影響

表2顯示的是營養缺失及與Cu復合對海州香薷兩個種群Cu吸收的影響。在營養缺失條件下，兩個種群根中的Cu含量明顯降低(P<0.05)，種群間沒有明顯的差異，礦區為對照的68.5%，非礦區為對照的70.3%。然而，非礦區種群地上部分則明顯增加(P<0.05)，是對照的150.5%，礦區種群略有增加。兩個種群在營養脅迫條件下，地上部分和根的銅含量比值都明顯增加。在25μmol/L Cu處理中，非礦區種群根Cu含量急劇增加，約是礦區的5倍。地上增加相對較少，非礦區種群略高于礦區。然而，在全營養缺失和25μmol/L Cu復合脅迫處理下，兩個種群根和地上的Cu含量急劇增加(表2)。

表2營養缺失及與Cu復合處理14d對海州香薷兩個種群Cu富集及運轉的影響

Table2EffectofgeneralnutrientdeficiencyandCuonCuuptakeandtransportintwoE.haichouensispopulationsafter14daysofhydroponicculture

種群Population處理Treatments根銅含量(RootCu,μg/g)地上銅含量ShootCu(μg/g)地上根Shoot/RootUCSControl26.05±2.66e12.65±0.83e0.491/50HS18.31±1.50f19.03±3.76d1.041/50HS+25μmol/LCu6117.78±300.44a470.6±18.46a0.0825μmol/LCu1125.81±103.36c22.86±5.23cd0.02CSControl20.55±1.31e11.23±1.58e0.551/50HS14.08±1.24f12.72±1.83e0.901/50HS+25μmol/LCu5248.08±221.02b397.1±21.29b0.07625μmol/LCu201.10±14.01d17.996±1.46d0.06

表中結果是平均值±S.D. (n=3); 同一欄中的不同字母表示顯著性差異(P<0.05)(根據鄧肯多重比較)

3.3 全營養缺失及銅脅迫對海州香薷礦質元素吸收的影響

3.3.1 銅對海州香薷礦質元素吸收的影響

表3顯示的是銅對海州香薷兩個種群礦質元素吸收的影響。從表3可看出，過量銅對礦區種群植物礦質元素吸收積累的影響明顯比非礦區種群小，如礦區種群P、Ca、Mg礦質元素含量的變化不明顯，但非礦區種群除Ca含量變化較大外，均隨銅濃度的增加而急劇減少；兩個種群Fe、K和Mn元素隨銅濃度的增加都有減少，但礦區種群量減少明顯比非礦區小。尤其是根K和Mn，在較低銅濃度(25μmol/L Cu)處理時，非礦區種群K和Mn含量分別是其對照的41.7%和31.4%，而礦區種群分別為對照的88.2%和94.4%。

3.3.2 營養缺失及與銅復合對海州香薷礦質元素吸收的影響

表4顯示的是營養缺失及與Cu復合對海州香薷兩個種群礦質元素吸收的影響。營養缺失條件下，兩個種群根中元素含量均有明顯的減少，但仍然表現為非礦區種群降低的幅度比礦區種群大。地上部分元素含量的變化則沒有根顯著。在營養缺失和銅復合作用下，除根Ca和Fe元素增加外，其它元素含量均進一步減少。其中根K和Mn含量減少更為顯著，礦區種群分別為對照的35.4%和25.97%，非礦區種群分別為對照的15.8%和8.7%。

4 討論

重金屬能干擾植物對必需營養元素的吸收和運輸，從而影響植物體內礦質營養組成，最終導致植物金屬毒性效應的產生[ 2]。銅雖然是植物必需重金屬元素，但過量會導致植物毒害。在本實驗中，過量銅明顯減少了海州香薷非礦區種群對礦質營養P, Mg, K, Mn的吸收和運輸，增加了根Ca的吸收和積累(表3)，而對礦區種群的影響則不明顯。這種現象在銅和全營養缺少復合脅迫下也有相同表現：礦區種群影響小，而非礦區種群影響顯著(表4)。通常認為，銅毒產生的第一個效應是根細胞膜的損傷，繼而引起離子流失、脂質過氧化及原生質膜受損[ 13]。根K元素含量的顯著減少常常說明根膜受損程度，本實驗中礦區耐性種群的減少量明顯比非礦區少，說明礦區種群根膜受損程度比非礦區種群小。因此，海州香薷耐性種群可能具有較強的防止銅毒產生的能力，保證細胞膜不受或少受損傷，因而能維持植物體內礦質營養的相對穩定。

表3海州香薷兩個種群在14d的銅處理后根礦質元素含量(mg/g干重; Mn: μg/g干重)

Table3Mineralconcentrations(mg/g DW; Mn and Zn: μg/g DW)inplanttissuesoftwoElsholtziahaichouensispopulationsafter14daysofhydroponicculturewithvariouscopperconcentrations

元素Elements根RootControl地上部分Shoot25μmol/LCu100μmol/LCuControl25μmol/LCu100μmol/LCuP-CS3.96±0.68b4.60±0.32a3.82±0.29b3.41±0.04a3.39±0.15a3.18±0.31a-UCS3.49±0.38b2.71±0.32d2.48±0.22e3.45±0.26a2.17±0.08b1.86±0.07cCa-CS1.55±0.096c1.42±0.45cd1.60±0.28c21.40±1.69bc23.59±3.42b26.22±2.05a-UCS1.15±0.07e3.07±0.15b3.84±0.69a23.66±2.42b18.32±3.04d21.27±1.93bcMg-CS11.45±1.95b14.87±0.54a13.66±2.23ab9.37±0.78a10.10±1.09a10.14±1.11a-UCS10.32±1.69b8.44±0.87c3.70±0.33d9.03±0.57a8.20±0.97b4.90±0.31cFe-CS1.66±0.33c1.19±0.21d0.88±0.01e0.21±0.08a0.21±0.02a0.16±0.044b-UCS1.98±0.19b2.62±0.25a0.66±0.04f0.10±0.005d0.09±0.007e0.13±0.01cK-CS83.81±3.73a73.91±3.55b59.89±6.46c39.23±0.09b43.60±2.49a35.39±3.15bc-UCS78.47±2.64ab32.76±4.70d11.16±4.29e34.75±0.84c31.24±1.27d33.52±0.76cMn-CS60.37±5.16a56.97±2.20a35.995±8.24b53.15±5.14a50.58±10.51a34.77±5.04b-UCS64.13±2.85a20.11±5.87c8.63±2.49d50.03±3.80a24.67±2.33c18.72±5.05d

表中結果是平均值± S.D. (n=3); 同一行中以及同一元素兩個種群間的不同字母表示處理水平及種群間的顯著差異(P<0.05)，據鄧肯檢驗

表4全營養缺失(1/50HS)及與Cu復合脅迫14d處理后海州香薷兩個種群根和地上礦質元素含量(mg/g干重; Mn, μg/g干重)

Table4Mineralconcentrations(mg/g DW; Mn, μg/g DW)ofrootsinplanttissuesoftwoE.haichouensispopulationsafter14daysofhydroponicculturewithgeneralnutrientdeficiencyanditsmixwithCu

元素Elements根RootControl地上部分Shoot1/50HS1/50HS+25μmol/LCuControl1/50HS1/50HS+25μmol/LCuP-CS3.96±0.68a3.10±0.18b2.80±0.25c3.41±0.035a3.17±0.14b2.69±0.34c-UCS3.49±0.38ab1.99±0.06d1.64±0.31e3.45±0.26a2.57±0.21c2.28±0.18dCa-CS1.55±0.1c0.79±0.05e1.78±0.047b21.40±1.69a22.32±4.61a22.20±2.53a-UCS1.15±0.07d0.78±0.08e4.39±1.25a23.66±2.42a18.78±0.167b13.09±3.97cMg-CS11.45±1.95a9.73±0.83b8.07±2.04c9.37±0.78a9.28±0.69a7.80±0.47b-UCS10.32±1.69a5.22±0.87d2.21±0.23e9.03±0.57a7.84±1.29b6.83±0.41cFe-CS1.66±0.33a0.47±0.1c0.53±0.04c0.21±0.08b0.20±0.04b0.30±0.08a-UCS1.98±0.19a0.32±0.04d0.890±0.055b0.22±0.01b0.19±0.01b0.101±0.01cK-CS83.81±3.73a50.64±2.76c29.66±1.09e39.23±2.51a35.3±1.30ab32.05±3.88b-UCS78.47±2.64a33.50±2.49d12.37±0.97f34.75±0.84ab28.14±1.54c23.38±2.32dMn-CS60.37±5.16a34.79±6.30b15.68±1.90c53.15±5.14a38.02±4.95b40.86±3.18b-UCS64.13±2.85a18.10±2.73c5.60±1.46d50.03±3.80a22.76±3.78c19.79±8.46c

表中結果是平均值± S.D. (n=3); 根據鄧肯多重比較分析，同一元素行中兩個種群的不同字母表示顯著性差異(P<0.05)

Antosiewicz[ 3]的研究證明，土豆和蠅子草的鉛耐受品種對低營養脅迫同樣表現出高的耐受性。海州香薷礦質營養脅迫實驗結果顯示，礦質營養缺失脅迫對海州香薷銅耐性種群生物量的影響明顯小于非礦區(敏感)種群，在銅和低營養脅迫復合作用時也是如此(表1)。這表明，海州香薷銅耐性種群對低營養脅迫同樣具有較高的耐受性。另一方面，在營養缺失脅迫條件下，銅耐性種群植物體內礦質營養組成(如P, Mg, K和Mn)的變化明顯比非礦區種群小(表3)。因而，在營養脅迫或銅脅迫下，礦區種群具有較強的維持植物體內營養組成平衡的能力，這可能成為礦區種群在富銅土壤中正常生長的原因。也許礦區種群銅耐性和低營養脅迫耐性獨立進化，但其生長的銅礦土壤因為具有高銅和低營養含量而選擇在一起[26]。然而，這兩者在遺傳上和生理上是否有聯系需要進一步研究。

本實驗中，較低銅濃度(25μmol/L)明顯促進了銅耐性種群的生長(生物量增加)(低營養脅迫也促進該種群根的生長)，表現出明顯的hormesis效應[27]，但該濃度明顯抑制了非礦區種群生長，這可能與來源不同的種群具有不同的耐性閾值有關。礦區種群因長期生長于高銅污染土壤，已經形成高銅耐性生態型[26]，25μmol/L銅濃度對于礦區種群來說，處于低劑量促進效應范圍，而對于非礦區種群則處于高劑量抑制效應范圍。然而，當25μmol/LCu和低營養脅迫共同作用時，礦區耐性種群植物生長也明顯受到抑制(表1)。這可能與其植物體內銅含量急劇增加有關。兩因子共同處理時，礦區種群根銅含量是其單一銅處理的25倍，非礦區種群為5倍(表2)。顯然，低營養脅迫顯著促進了植物對銅的吸收和富集。即使作為銅耐性種群，銅的過量積累超過了植物耐受限度，使植物生長受到抑制，導致生物量減少。

6 結論

總之，在銅和低營養脅迫下，海州香薷兩個種群在生長、銅富集、耐性及礦質營養組成上存在明顯差異。礦區種群不僅進化成銅耐受生態型，也進化為營養脅迫耐受生態型。銅和低營養脅迫對礦區種群植物礦質營養組成的影響明顯小于非礦區種群。這表明海州香薷銅耐性種群體內礦質營養組成的穩定和平衡，在其銅耐性中起重要作用，這也是其能定居于富銅土壤的重要原因。這些結果為從營養穩定和平衡理論的角度進一步理解銅耐性機制提供了很好的思路。同時，低營養脅迫促進了植物對重金屬銅的吸收和運轉，這間接表明，營養元素充足可以減少植物重金屬富集，也為避免農作物在營養不足條件下因重金屬積累而產生毒害提供科學參考。

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Cuandnutrientdeficiencyondifferenteffectsofgrowth,toleranceandmineralelementsaccumulationbetweentwoElsholtziahaichouensispopulations

KE Wenshan1,*, CHEN Shijian2, XIONG Zhiting2, WU Mingyu1, LI Yadong1

1SchoolofLifeScienceofHubeiUniversity,Wuhan430062,China2GeodecyandGeophysicsInstituteofChinaAcademy,Wuhan430077,China3SchoolofResourceandEnvironmentalScienceofWuhanUniversity,Wuhan430079,China

TwoElsholtziahaichowensispopulations, one from a copper mine (CS) and the other from an uncontaminated site (UCS), were studied in hydroponic experiments for the plant growth, copper accumulation and mineral nutrients content under excess copper, nutrient deficiency and their interaction. The growth of UCS population was significantly inhibited by excessive Cu, nutrient deficiency and their interaction. But the growth of CS population was less affected by these factors, and 25μmol/L Cu stimulated significantly the growth of CS population. The tolerance indices of root length to Cu and biomass to mineral nutrient deficiency in the CS population were significantly higher than that in the UCS population. The results indicated that the CS population had evolved not only Cu tolerance but also tolerance to low nutrient supply. Nutrient deficiency increased significantly Cu uptake and transport in two populations. For example, at 25μmol/L Cu mixed with nutrient deficiency, root-Cu content of CS population was about 25 times that of CS population at 25μmol/L Cu treatment; root-Cu content of UCS population at interaction of 25μmol/L Cu and nutrient deficiency was more than 5 times that of CS population at 25μmol/L Cu treatment. Shoot-Cu contents in two populations also increased, but that in UCS population increased much more than in CS population. Excessive Cu reduced significantly uptake and transport of mineral nutrient including P, Mg, K and Mn. But contents of these mineral elements in CS population was less affected by excessive Cu. At interaction of nutrient deficiency and Cu (25μmol/L ), mineral element contents except Ca and some Fe decreased significantly. But the reduction in CS population is less than that in UCS population. The results indicated that the mineral composition homeostasis under the stresses was important in metal tolerance and colonizing normally in the Cu-enriched soils for the Cu-tolerant population.

Elsholtziahaichowensis; copper tolerance; nutrient deficiency tolerance; mineral element accumulation

國家自然科學基金資助 (30570322);中國科學院知識創新工程重大項目(KZCX1-YW-08-01-02)

2012- 05- 04;

2012- 11- 19

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kokews2000@163.com

10.5846/stxb201205040642

柯文山,陳世儉,熊治廷，吳明煜,李亞東.銅和營養缺失對海州香薷兩個種群生長、耐性及礦質營養吸收的差異影響.生態學報,2013,33(15):4737- 4743.

Ke W S, Chen S J, Xiong Z T, Wu M Y, Li Y D.Cu and nutrient deficiency on different effects of growth, tolerance and mineral elements accumulation between twoElsholtziahaichouensispopulations .Acta Ecologica Sinica,2013,33(15):4737- 4743.