S對As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響

吳桂容，洪華龍，嚴重玲*

( 1．濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室(廈門大學(xué))，福建廈門361102; 2．賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542800)

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S對As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響

吳桂容1，2，洪華龍1，嚴重玲1*

( 1．濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室(廈門大學(xué))，福建廈門361102; 2．賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542800)

摘要:本研究以紅樹植物桐花樹( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco)為實驗材料，通過栽培試驗研究硫( S)對砷( As)脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響．As含量設(shè)為－As( 0 mg/kg)和+As( 60 mg/kg) 2個處理，而S含量設(shè)為－S( 0 g/ kg)、+S( 1 g/kg)和+HS( 2 g/kg) 3個處理．結(jié)果表明:在－As處理組中，桐花樹幼苗根、葉中非蛋白巰基( NPT)、谷胱甘肽( GSH)和植物絡(luò)合素( PCs)等巰基化合物的含量均隨著S的施入而有顯著升高( p＜0．05) ; +As處理組桐花樹幼苗根、葉中NPT和PCs含量在－S、+S、+HS處理下均要顯著高于－As處理組( p＜0．05) ;在+As處理組中，桐花樹幼苗根、葉中的NPT和葉中PCs含量隨著S的施入顯著升高( p＜0．05)，且根中PCs含量與As含量呈顯著正相關(guān)( r= 0．82，p＜0．05)．上述結(jié)果說明As的脅迫和S的施入均能促進巰基化合物的合成，顯著提高As脅迫下的桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物特別是PCs的含量．S在紅樹植物As抗性中具有重要作用，在As污染下的紅樹林濕地中施入S可以通過巰基化合物代謝提高紅樹植物對As的抗性．

關(guān)鍵詞:硫;砷;桐花樹;巰基化合物

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落，其在維持生態(tài)平衡和保護環(huán)境方面起著重要的作用［1］．紅樹林濕地位于海陸交匯的河口海灣地帶，河口交通、污水排放等使其重金屬和類金屬污染日益加重，紅樹林濕地沉積物同時作為污染物的匯和源［2］．砷( As)是一種普遍存在、高毒性的類金屬元素，其對海洋環(huán)境的影響不可忽視，并能通過食物鏈最終對人類健康造成嚴重威脅［3］．紅樹植物對As污染具有高度的容忍性，且呈現(xiàn)出一定的富集趨勢，近年來，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)As污染研究逐漸成為紅樹林污染研究的熱點［4－5］．

紅樹林濕地沉積物中具有高硫( S)含量的特點［6］．S是植物的必需元素，是多種蛋白質(zhì)和酶的重要組分，在植物抗性中有著重要的作用．研究表明，S在水稻［7］、黑藻［8］等多種植物的As生物有效性、累積和抗性中均發(fā)揮著重要的作用．As在植物體內(nèi)的解毒途徑主要是通過含S的化合物來實現(xiàn)的，特別是非蛋白巰基( non－protein thiols，NPT)、谷胱甘肽( glutathione， GSH)和植物絡(luò)合素( phytochelatins，PCs)等巰基化合物［9］．

目前，紅樹植物As抗性研究主要限于單因素栽培實驗，但鑒于紅樹林濕地沉積物中高S含量及S在植物抗性中的作用，有必要進行多方位的復(fù)合研究．桐花樹( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco)是我國主要的紅樹樹種之一．本文通過研究S對As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響，探討巰基化合物對S的響應(yīng)是否是緩解桐花樹As脅迫的機制之一，科學(xué)評價S在紅樹植物As抗性中的作用．

1材料與方法

1. 1供試植物與土壤

桐花樹胚軸于2011年7月采自福建省龍?？h浮宮鎮(zhèn)草埔頭村九龍江口紅樹林自然保護區(qū)南岸桐花樹林( 24．40°N，117．92°E)，經(jīng)0．1%(質(zhì)量分數(shù))高錳酸鉀溶液浸泡1．5 h表面消毒后，挑選無病蟲害且大小成熟度相近的種苗用于暴污栽培實驗．供試土壤取自同一地點的根際表層( 0～20 cm)，在移去殘枝、石子、貝殼等雜物后充分混勻，測定沉積物基礎(chǔ)理化性質(zhì)．總As含量為( 18．78±0．25) mg/kg，總S含量為( 0．17±0．01) g/kg，總氮含量為( 1．28±0．08) g/kg，總磷含量為( 1．00±0．05) g/kg，總鉀含量為( 21．02± 0．27) g/kg，pH為7．21±0．01．

1. 2栽培試驗

將Na2HAsO4·7H2O(分析純)配制成的溶液與硫磺施入土壤，攪拌均勻，活化一個月后分裝于直徑20 cm、高25 cm的塑料桶中，每桶土2．5 kg．根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，As含量設(shè)為－As( 0 mg/kg)和+As( 60 mg/kg) 2個處理，S含量設(shè)為－S( 0 g/kg)、+S( 1 g/kg)和+HS( 2 g/kg) 3個處理，共設(shè)6個處理組，每組設(shè)3個重復(fù)．于2011年7月13日開始培養(yǎng)，每桶種植3棵胚軸，置于自然透光的溫室大棚中培養(yǎng)，每周進行補水并觀察記錄各處理組的生長情況．培養(yǎng)中植株未出現(xiàn)明顯的As毒害癥狀，培養(yǎng)期為一年．

1. 3分析測試方法

栽培試驗進行一年后，收獲植株，用去離子水洗凈．參照Rama Devi等［10］的方法分別測定根、葉中NPT 和GSH的含量，兩者之差即為PCs含量，以鮮質(zhì)量( FW)表示［11］．幼苗根、葉中As的含量采用原子吸收光譜儀( AAS; AA－6800，Shimadzu，Kyoto)進行測定，以干質(zhì)量( DW)表示．

1. 4統(tǒng)計分析方法

本試驗所有數(shù)據(jù)均以3個重復(fù)處理的平均值±標(biāo)準差表示．采用Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)初步處理和作圖，SPSS 19．0軟件進行單因素方差分析、多重比較分析和相關(guān)性分析．p＜0．05表明差異顯著．

圖1 S對As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中NPT含量的影響Fig．1 Effect of S supply on NPT content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

2結(jié)果與分析

2. 1 S對As脅迫下幼苗NPT含量的影響

如圖1所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中NPT含量在+HS處理下顯著高于－S和+S處理( p＜0．05) ; 在+As處理組中，幼苗根中NPT含量在+HS和+S處理下顯著高于－S處理( p＜0．05)，葉中NPT含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ; +As處理組幼苗根、葉中NPT含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，分別為－As處理組的1．19～1．78倍和1．52～2．16倍．

2. 2 S對As脅迫下幼苗GSH含量的影響

如圖2所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中GSH含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ;在+As處理組中，幼苗根中GSH含量在+HS處理下顯著高于+S和－S組，且在－S、+ S和+ HS處理下均顯著低于－As處理組( p＜0．05)，而葉中GSH含量隨著S含量的升高先升高后降低，且在－S和+S處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)．

2. 3 S對As脅迫下幼苗PCs含量的影響

如圖3所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中PCs含量隨著S含量的升高而升高，且在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05) ;在+As處理組中，幼苗根中PCs含量隨著S含量的升高而未見顯著差異( p＞0．05)，且+As處理組根PCs含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，為－As處理組的1．34～2．55倍;而幼苗葉中PCs含量隨著S含量的升高而升高，在各S處理組之間均有顯著差異( p＜0．05)，且+As處理組葉中PCs含量在－S、+S和+HS處理下均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，為－As處理組的1．71～2．39倍．

圖2 S對As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中GSH含量的影響Fig．2 Effect of S supply on GSH content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

圖3 S對As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中PCs含量的影響Fig．3 Effect of S supply on PCs content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

2. 4 S對As脅迫下幼苗As含量的影響

如圖4所示:在－As處理組中，幼苗根、葉中As含量隨著S含量的升高先升高后降低，高值均出現(xiàn)在+S處理組(根、葉中As含量分別為－S處理組的2．20和2．81倍)，且根中－S和+HS處理組間未見顯著差異( p＞0．05) ;在+As處理組中，幼苗根、葉中As含量也隨著S含量的升高先升高后降低，高值均出現(xiàn)在+S處理組(根、葉中As含量分別為－S處理組的2．19和1．47倍)，但+HS處理組均顯著高于－S處理組( p＜0．05) ; As主要在幼苗根中蓄積，－As處理組根中As含量為葉的31．65～50．64倍，而+As處理組根中As含量為葉的126．37～192．25倍; +As處理組根、葉中As含量在－S、+S和+HS處理下(葉中+S組除外)均顯著高于－As處理組( p＜0．05)，分別為－As處理組的4．94～7．62和1．02～1．95倍，其中根中的差別要顯著大于葉( p＜0．05)．

圖4 S對As脅迫下桐花樹幼苗根( a)、葉( b)中As含量的影響Fig．4 Effect of S supply on As content in root ( a) and leaf ( b) under As stress

3討論

紅樹植物對As脅迫具有較高的耐受性，其對As的蓄積主要集中在根部，較少向地上部分轉(zhuǎn)運［4］．在紅樹植物體內(nèi)，巰基化合物對重金屬污染也有著積極的響應(yīng)［12］．覃光球［13］關(guān)于紅樹植物桐花樹幼苗PCs對重金屬響應(yīng)的研究指出，巰基化合物特別是PCs能與重金屬絡(luò)合，從而降低重金屬對植物的毒害作用．植物體內(nèi)的巰基化合物是植物對重金屬的重要解毒機制，其常被用作植物應(yīng)對重金屬污染的特異標(biāo)志物［14］．S是巰基化合物的重要合成底物，S的施入促進植物巰基化合物的合成，在As污染的土壤中施加S能顯著提高植物對As的抗性［15］．竇揚揚［16］關(guān)于S對As脅迫下紅樹植物秋茄幼苗巰基化合物影響的研究也指出，S誘導(dǎo)的巰基化合物含量增加促進秋茄幼苗對As的累積并增加其對As的抗性．吳桂容［17］的前期研究指出，在As污染的土壤中施加S能夠增加紅樹植物桐花樹幼苗中的巰基化合物含量，從而提高桐花樹對As的抗性．

在本研究中，－As處理組桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物( NPT、GSH和PCs)的含量均隨著S含量增加而有顯著升高( p＜0．05)，表明S的施入能促進巰基化合物的合成，這與前人對其他物種的研究結(jié)果［7，18］是一致的．+As處理組桐花樹幼苗根、葉中NPT和PCs含量要顯著高于－As處理組( p＜0．05)，表明As脅迫對植株巰基化合物的合成有促進作用．+As處理組桐花樹幼苗根中的GSH含量要低于－As組( p＜0．05)，可能的原因在于GSH既與重金屬絡(luò)合形成重金屬－GSH絡(luò)合物又是PCs合成的重要底物［19］，其消耗量較大．在+As處理組中S的施入顯著提高了桐花樹幼苗根、葉中的NPT和PCs含量( p＜0．05)，且根中的PCs含量與As含量顯著正相關(guān)( r = 0．82，p＜0．05)．PCs作為巰基化合物中最重要的重金屬絡(luò)合物質(zhì)，其含量與總NPT含量直接相關(guān)，并在桐花樹幼苗中As的絡(luò)合、固定中具有重要的作用［13，16－17］．

此外，桐花樹幼苗根、葉中NPT、PCs含量在+As處理組中對比－As處理組的增加幅度，在－S處理下相差不大，在+S、+HS處理下根中的增加幅度要顯著低于葉;而根GSH含量在+As處理組均低于－As處理組，但葉GSH含量則有一定的增加．在+As處理組中，根NPT含量在+S和+HS處理間未見顯著上升，根PCs含量也未隨著S的施入顯著升高( p＞0．05) ;而葉NPT、PCs含量均隨著S處理濃度的升高而顯著升高( p＜0．05)．上述結(jié)果說明桐花樹幼苗根、葉中巰基化合物含量對As脅迫有不同的響應(yīng)模式．本研究中，As主要蓄積在桐花樹幼苗根部，在－As、+As處理組根中As含量分別為葉的31．65～50．64和126．37～192．25倍．巰基化合物主要在根中與As絡(luò)合，根中的巰基化合物消耗量極大;而葉中As含量顯著低于根，葉中巰基化合物特別是PCs的消耗量要顯著低于根，其含量均隨著S的施入有顯著升高( p＜0．05)，且+As處理組對比－As處理組的增加幅度在不同S含量下基本保持一致．根是植株As吸收的第一道屏障，根中的巰基化合物將As固定在根部的減輕游離As對植株的毒害，并可減少As向地上部分的轉(zhuǎn)運，葉中的As含量變化體現(xiàn)了這一趨勢;而葉中的巰基化合物含量隨著S含量的升高而升高，能絡(luò)合As從而減輕As對葉的毒害，說明S的施入能促進植株體內(nèi)的巰基化合物合成以增強植株對As的抗性．

綜上，S的施入可促進桐花樹幼苗體內(nèi)巰基化合物的合成，從而提高植株對As的抗性．S在紅樹植物As抗性中具有重要作用，在As污染下的紅樹林濕地中施入S可以通過巰基化合物代謝提高紅樹植物對As的抗性．

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Influence of Sulfur Supply on Thiols in Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco Under As Stress

WU Guirong1，2，HONG Hualong1，YAN Chongling1*

( 1．Key Laboratory of the Ministry of Education for Coastal and Wetland Ecosystems，Xiamen University，Xiamen 361102，China; 2．College of Chemical and Biological Engineering，Hezhou University，Hezhou 542800，China)

Abstract:The influence of sulfur ( S) supply on arsenic ( As) tolerance and its accumulation in mangrove ( Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco) were evaluated through pot experiments，which were carried out under no As (－As，0 mg/kg) or under As ( +As，60 mg/kg) and varied with three levels of S，－S ( 0 g/kg)，+S ( 1 g/kg) and+HS ( 2 g/kg)．Results showed that in－As treatments the level of thiols ( NPT，GSH and PCs) in roots and leaves of A．corniculatum seedlings increased significantly with S supply ( p＜0．05)，while the levels of NPT and PCs in roots and leaves of A．corniculatum seedlings in+As treatments increased more significantly than those in－As treatments ( p＜0．05)．S supply in+As treatments increased the level of NPT and PCs in roots and the level of PCs in leaves of A．corniculatum seedlings ( p＜0．05)．Besides，the level of PCs in roots was positively related with the level of As in roots ( r=0．82，p＜0．05)．The results showed that，As stress and S supply could induced the synthesis of thiols，and S supply to A．corniculatum seedlings under As stress could enhanced the synthesis of thiols ( especially PCs)．In conclusion，S play an important role in As resistance for mangrove plants，and the supply of S to mangrove wetlands would enhance the resistance of mangrove to As through thiols metabolism．

Key words:arsenic; sulfur; Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco; thiols

*通信作者:ycl@ xmu．edu．cn

基金項目:國家自然科學(xué)基金重點項目( 31530008) ;國家自然科學(xué)基金( 31370516，31170471)

收稿日期:2015－07－08錄用日期: 2015－09－09

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．010

中圖分類號:Q 494

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0438－0479( 2016) 01－0055－05

引文格式:吳桂容，洪華龍，嚴重玲．S對As脅迫下桐花樹幼苗巰基化合物含量的影響［J］．廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，55( 1) : 55－59．

Citation: WU G R，HONG H L，YAN C L．Influence of sulfur supply on thiols in Aegiceras corniculatum ( L．) Blanco under As stress［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 55－59．( in Chinese)