砷胁迫下砷在生菜中迁移转化过程及其对营养元素含量的影响

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　　摘 要：为探究砷胁迫下砷在生菜中的迁移转化过程及其对营养元素含量的影响，通过三价砷（As（III））胁迫实验研究了各形态砷和营养元素在生菜中的分布特征。结果表明，生菜根部和叶部都仅检测到了As（III）和五价砷（As（V）），其中As（III）为主要砷形态，分别在根和叶中占75%～85%、83%～87%。随着胁迫濃度的升高，根中As（III）含量逐渐达到饱和，而As（V）含量逐渐升高，叶中的As（III）和As（V）含量都显著升高。在高浓度胁迫下（10mg/L），BCFleaf/root突增3.7倍。与对照组相比，胁迫组根和叶中和Fe和Cu元素的含量并无显著变化，叶中Mn和Zn元素含量并无显著变化，根中Mn元素含量显著降低，根中Zn元素含量随胁迫浓度升高呈现出先升高后降低在升高的变化趋势。说明根对As（III）的固定能力具有极限，当超过该极限时植物无法控制As（III）向地上部分的迁移。另外，砷胁迫会影响Mn和Zn在根中的分布，生菜可以通过调控Mn和Zn的迁移来控制这些元素在叶中分布。
　　关键词：砷;生菜;迁移转化;营养元素
　　中图分类号 S636.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）05-0018-04
　　The Migration and Transformation Process of Arsenic and its Effect on Nutrient Content in Lettuce under Arsenic Stress
　　Zhang Fenglin et al.
　　（Center for Environment and Water Resources， Central South University， Changsha 410083， China）
　　Abstract： To explore the migration and transformation process of arsenic and its effect on nutrient elements in lettuce under arsenic stress， the distribution characteristics of arsenic and nutrient elements in lettuce were studied through arsenic trivalent （As （III）） stress experiment. The results showed that only As（III） and pentavalent arsenic （As（V）） were detected in the roots and leaves of lettuce， and As（III） was the main form of arsenic， accounting for 75-85% and 83-87% in the roots and leaves， respectively. With the increase of stress concentration， the content of As（III） in roots gradually reached saturation， while the content of As（V） gradually increased， and the content of As（III） and As（V） in leaves significantly increased. Under high concentration stress （10mg/L）， BCFleaf/root increased by 3.7 times. Compared with the control group， the content of Fe and Cu in the root and leaves of the stress group did not change significantly， the content of Mn and Zn in the leaves did not change significantly. The content of Mn in the root decreased significantly， and the content of Zn in the root increased firstly， then decreased and then increased with the increase of stress concentration. The Studies have indicated that roots possess a limit to the fixation capacity of As（III）， and when this limit is exceeded， the plant can’t control the migration of As（III） to the aboveground part. In addition， arsenic stress can affect the distribution of Mn and Zn in roots. Lettuce can control the distribution of these elements in leaves by regulating the migration of Mn and Zn.
　　Key words： Arsenic; Lettuce; Migration and transformation; Nutrient elements
　　1 引言 　　由于自然因素和工业活动，大量的As被释放到环境中，对环境造成污染[1]。目前，环境中的砷污染日益严重，已成为了全球性的问题。由于其毒性，As污染会影响植物的正常生长，降低其产量，严重时还会导致植物死亡[2]。
　　据报道，植物将环境中As吸收到根部后，一部分As经由输导组织迁移到植物地上部分，并伴随着各形态As之间的转化过程，最终导致不同形态砷在植物各部分的累积[3-4]。砷在植物中富集会对植物产生毒害作用，影响营养元素的吸收，改变营养元素在植物体内的分布，进一步影响营养元素的代谢平衡，对植物体的生长发育造成危害。研究发现，100mg/kg的砷胁迫在一定程度上会抑制黑麦草的生长，但根系中N、P、K、Mn含量升高，叶片中营养元素含量的变化与黑麦草的基因型有关，高砷吸收能力品种的叶片中P、K、Mn、Mg含量降低，而N、Ca含量上高[5-6]。另有研究指出，砷胁迫会抑制小麦根系的生长，低浓度胁迫（5～10mg/L）根中P、K、Mg、和Cu的含量较对照组升高，而高浓度（15～20mg/L）根中P、Mn和Zn的含量较对照组升高[7]。
　　在众多蔬菜中，生菜（Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）隶属菊科植物的具有较高的砷富集能力与耐受能力[8]。为此，本研究以生菜为实验材料，通过检测在三价砷（As（III））胁迫下其体内砷形态和营养元素含量，分析As（III）胁迫下As在生菜体内的迁移转化过程，并探究其对营养元素平衡的影响，为进一步揭示砷对植物的毒害机理提供理论依据。
　　2 材料与方法
　　2.1 实验材料 生菜种子购自市场，土壤为丹麦品氏基质。
　　2.2 实验处理 使用含有效氯1%的次氯酸钠溶液对生菜种子消毒30min，随后使用超纯水（up水）冲洗干净并浸泡30min。将生菜种子种植于花盆中，定期补充up水，30d后选取长势一致的植株转移至含100%霍格兰营养液的水培箱中，每2d更换培养液。适应7d后，将植株转移至含有As（III）的营养液中进行胁迫实验，胁迫浓度为0mg/L（对照组）、0.5mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L。胁迫24h后将对照组和各实验组生菜分为根和叶进行收获。
　　2.3 砷含量及营养元素测定 将生菜样品冻干后研磨成粉末，称取0.1g样品置于HNO3+H2O2体系中（4∶1），使用微波消解仪按15min，120°C;15min，120°～190°C;30min，190°C的程序进行消解。消解完全后定容至25mL，并储存于4°C待测。As、Cu含量使用ICP-MS进行检测，Mn、Zn、Fe含量使用ICP-OES进行检测。
　　2.4 砷形态测定 称取0.1g樣品于消解罐中，加入20mL 1%的HNO3，在90°C下萃取90min，待萃取结束，样品冷却至室温后定容至50mL，并储存于4°C待测。砷形态通过HPLC-ICPMS进行检测。
　　2.5 数据处理 使用Microsoft Excel 2013进行数据整理，运用SPSS 24.0进行单因素方差分析（p<0.05），使用Origin 9.1作图。
　　3 结果与分析
　　3.1 根和叶中砷的含量 由图1可知，根中砷含量远高于叶中，并且根和叶中砷的含量都随着胁迫浓度的升高而逐渐升高。当胁迫浓度高于2mg/L时，根中砷含量并无显著性变化，而叶中砷含量随着胁迫浓度的升高而显著升高。由图2可知，砷从根向叶的迁移系数（BCFleaf/root）随着胁迫浓度的升高先显著下降后显著升高，当砷胁迫浓度为2mg/L时达到极小值。可见，随着胁迫浓度的升高砷从根向叶的转运先下降后升高。
　　3.2 根和叶中砷的形态 如图3所示，根和叶中都检测到了As（III）和As（V），其中As（III）占为主要砷形态（在根中占75%～85%，在叶中占83%～87%）。随着胁迫浓度的升高，根中As（III）含量显著升高，当胁迫浓度高于2mg/L时，根中As（III）含量虽然升高，但变化并不显著。与此不同，根中As（V）含量随着胁迫浓度升高而显著升高。叶中As（III）和As（V）含量都随着胁迫浓度升高而显著升高。可见，随着胁迫浓度的升高，根中As（III）的含量逐渐达到饱和。
　　3.3 根和叶中营养元素的含量变化 As（III）胁迫下生菜根和叶中Mn、Zn、Fe、Cu含量如表1所示。这些营养元素在根和叶中的变化趋势并不相同，并且根中的含量远高于叶中。Mn元素在砷胁迫组生菜根中的含量显著低于对照组生菜根中的含量，但砷胁迫组叶片与对照组叶中的Mn含量并无显著差异。0.5mg/L胁迫浓度下，根中Zn含量显著高于对照组，随着胁迫浓度的升高，根中Zn含量先降低后升高。与Mn元素的变化相似，砷胁迫组叶片与对照组叶中的Zn含量并无显著差异。Fe元素和Cu元素在胁迫组中的含量与对照组相比并无显著差异。
　　4 讨论
　　4.1 砷在生菜中的迁移转化 植物对砷的吸收取决于砷的形态，As（III）可经由水通道蛋白被植物根部所吸收，As（V）可经由细胞膜上的磷酸根转运蛋白被植物所吸收[9]。本研究以As（III）对生菜进行胁迫，但在根部同时检测到As（III）和As（V）2种砷形态。根部检测到As（V）可能有以下2个原因：其一，As（III）在生菜根部被氧化成As（V）;其二，As（III）在培养液中被氧化成As（V），再被生菜根部所吸收。同时，As（V）也可以在植物体内被还原为As（III）[10]。因此，在生菜根部可能存在着As（III）与As（V）的相互转化过程。As（III）对巯基具有很强的亲和力，可以与含巯基的蛋白结合，植物对As（III）解毒的主要途径之一便是合成谷胱甘肽（GSH）或植物络合素（PCs）与As（III）络合形成As（III）-巯基络合物并转移至液泡当中隔离起来[11]。本研究中，当胁迫浓度升高至2mg/L时，根中As（III）含量不再显著升高，表明在高浓度砷胁迫下，谷胱甘肽（GSH）和植物络合素（PCs）的合成能力达到最大，根对As（III）的固定逐渐达到饱和，无法有效地限制As（III）向地上部分的运输，因此，在2～10mg/L胁迫下叶中As（III）含量的增加高于低胁迫浓度下叶中As（III）含量的增加。由于As（III）在根和叶中为主要砷形态，因此，在10mg/L时BCFleaf/root突增3.7倍，并且在2～10mg/L胁迫下，根中As含量的变化也无显著差异。 　　4.2 砷胁迫对营养元素的影响 Mn、Zn、Fe、Cu是植物生长所必需的微量元素，参与多个新陈代谢过程中。Mn不但作为叶绿素的重要组成分参与到植物的光合作用中，还可作为多种酶的活化剂参与到植物体内的生理过程中[12]。Zn在植物体内主要是用于合成光合作用、呼吸作用、氮代谢、激素合成和植物生长所需的各种酶，还可以起到抑制RNA水解酶活性稳定核糖体和维持细胞膜稳定性的作用[13]。Fe在植物体内可以参与叶绿素的合成或形成铁氧化还原蛋白参与到光合作用中，还参与体内的氧化还原反应和电子传递过程[14]。Cu在植物体内不但参与叶绿素、碳水化合物和蛋白质的合成，还参与电子传递过程[15]。为了考察三价砷胁迫是否会影响这些营养元素的吸收和分布，本研究对根和叶中Mn、Zn、Fe、Cu的含量进行了检测。结果表明，砷的摄入会显著降低根中Mn的含量，但并未对叶中Mn含量造成显著影响，因此砷的摄入会降低生菜对Mn元素的吸收，并且促进了Mn从根向叶的迁移。这可能是因为相较于根部，植物叶片的生理过程更需要Mn元素的参与。与此类似，Zn元素含量在生菜根和叶中的含量变化表明，低浓度砷胁迫会促进植物对Zn元素的吸收，随着胁迫浓度的升高这种促进作用变为抑制作用，当胁迫浓度进一步升高时，抑制作用又逐渐变为促进作用。砷胁迫下植物体内Zn元素含量升高在其他研究中也有报道[16]。这可能是在低浓度As胁迫下，植物某些涉及到Zn元素的生理活动增强来应对As的毒性。当根中As含量升高，毒性作用增强对Zn的吸收过程产生抑制，但随着As含量进一步升高，植物促Zn吸收增强的程度高于Zn吸收过程抑制的程度，使得植物对Fe的吸收增强。叶中Zn元素含量并不随As胁迫的变化而显著变化，表明As胁迫虽然会影响Fe在根部的分布，但由于植物对Zn元素迁移的调控使得叶中Zn的含量得到控制，从而保证叶中生理活动的正常进行。另外，本研究发现，砷的摄入并不影响生菜对Fe和Cu的吸收以及这些元素在根和叶中的分布。
　　5 结论
　　在As（III）的胁迫下，生菜根中As（III）为主要砷形态，As（V）所占比重很小。随着胁迫浓度的升高，根中As（III）含量逐渐达到饱和，但As（V）含量显著升高，叶中As（III）含量和As（V）含量都显著升高。高浓度胁迫下，砷从根向叶的迁移显著升高。As（III）胁迫会抑制Mn的吸收并且对Fe的吸收造成影响，但通过植物对Mn和Zn迁移的调控使得叶中这些元素的含量不受影响。另外，As（III）胁迫并未影响Fe、Cu的吸收和分布。
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　　（责编：张宏民）
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