基于細(xì)胞壁吸附固定特性的小飛蓬耐Cd 機(jī)制研究

張 虹 ，羅潔文 ，胡華英 ，曹 升 ，周垂帆 *，侯曉龍

（1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002；2.海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心，福州 350002；3.福建長汀紅壤丘陵生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，福州 350002）

鎘（Cd）是生物生長的非必需元素和毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，土壤中的Cd可通過食物鏈逐級(jí)積累，對動(dòng)植物和人體健康造成嚴(yán)重的危害。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示，Cd污染的點(diǎn)位超標(biāo)率在所有無機(jī)污染物中最高，達(dá)到7%。因此，修復(fù)土壤Cd污染的任務(wù)已刻不容緩。植物修復(fù)因其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的雙重優(yōu)勢，在國內(nèi)外重金屬污染土壤的修復(fù)治理中已逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。小飛蓬（Conyza canadensis）是一種廣泛分布于世界各地的菊科草本植物，該植物適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、生物量大、耐干旱瘠薄、根蘗力強(qiáng)。有研究發(fā)現(xiàn)，小飛蓬對重金屬Cd有很強(qiáng)的耐性和富集能力[2]，在礦區(qū)天然生長的小飛蓬地上部分Cd含量可達(dá)38.30 mg·kg-1[3]，生物富集系數(shù)的范圍為0.594～4.790，高于普通植物富集系數(shù)，是我國Cd污染土壤生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物[2，4]。但是目前關(guān)于小飛蓬對重金屬Cd的耐性和解毒機(jī)制研究鮮有報(bào)道。

細(xì)胞壁作為植物細(xì)胞特有的外層組織結(jié)構(gòu)，是保護(hù)細(xì)胞原生質(zhì)體不受外界污染物尤其是重金屬毒害的第一道屏障。細(xì)胞壁的主要組成物質(zhì)有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和果膠等，并含有多種帶負(fù)電荷有機(jī)基團(tuán)，如氨基、羧基、羥基、巰基和醛基等[5]，這些有機(jī)官能團(tuán)能有效地結(jié)合重金屬陽離子形成沉淀，從而將其固定在植物細(xì)胞壁中，阻止其進(jìn)入細(xì)胞以減少對植物細(xì)胞內(nèi)敏感細(xì)胞器的傷害[6]，使植物對重金屬產(chǎn)生一定的耐性。研究發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞壁可以通過改變其組成物質(zhì)的含量來抵抗重金屬脅迫，并增強(qiáng)對重金屬的吸附固定能力。Xiong等[7]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用氮氧化物可增加根細(xì)胞壁中半纖維素和果膠的含量，進(jìn)而增加根細(xì)胞壁對Cd的吸附固定，使水稻對Cd的耐受性增強(qiáng)。另有學(xué)者[8]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下，擬南芥細(xì)胞壁中木質(zhì)素生物合成基因的表達(dá)量變多，從而減少了重金屬離子對自身的傷害。Zhou等[9]通過透射電鏡觀察Cd脅迫下小飛蓬的葉細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，有Cd2+沉淀積累在細(xì)胞壁表面及細(xì)胞壁內(nèi)。但是關(guān)于在Cd2+吸附固定過程中小飛蓬根、葉細(xì)胞壁哪些組分、組分中哪些官能團(tuán)起到了關(guān)鍵性作用等問題還有待進(jìn)一步探究。

鑒于此，本文通過掃描電鏡（SEM）研究了Cd在小飛蓬組織的分布規(guī)律和毒害效應(yīng)，并利用細(xì)胞壁化學(xué)改性結(jié)合吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究了小飛蓬根、葉細(xì)胞壁對Cd2+的吸附固定特性，同時(shí)通過傅里葉紅外光譜表征了小飛蓬根、葉細(xì)胞壁上Cd2+吸附位點(diǎn)的特定組分或官能團(tuán)信息，以期探究小飛蓬根、葉細(xì)胞壁在Cd吸收過程中發(fā)揮的作用，為研究Cd2+對植物的毒害作用和植物對Cd的耐性及解毒機(jī)制提供研究思路，也為小飛蓬應(yīng)用于Cd污染土壤的修復(fù)和治理提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

小飛蓬于2016年3月15日采集于福建農(nóng)林大學(xué)校園內(nèi)，選擇植株大小均一、根系完整、高度為15 cm左右的小飛蓬，利用清潔過的河沙種植于福建農(nóng)林大學(xué)溫室中，每隔2 d澆一次去離子水，保持田間持水量為70%。2周后，將其移至人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行Hoagland營養(yǎng)液脅迫培養(yǎng)[以CdCl2溶液形式加入，Cd濃度設(shè)置為0（對照CK）、50、100 μmol·L-1]，晝夜溫度為25℃和20℃，光照14 h。脅迫培養(yǎng)1周后，將根系放入25 mmol·L-1Na2-EDTA洗脫液中浸泡15 min以除去根系表面吸附的Cd，用超純水將葉片和根系沖洗干凈并擦干，液氮固定后存于-75℃冰箱中備用[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 SEM分析樣品的制備與觀察

小飛蓬樣品的制備與SEM觀察參考朱宇恩等[11]的方法。取對照組和50 μmol·L-1Cd脅迫組的小飛蓬，用切片切取1 cm新生根的根尖和面積為1 cm2左右的葉片（避開葉脈），用磷酸緩沖液對其反復(fù)清洗，再將其置于2.5%的戊二酸溶液中固定2～24 h。在此期間加入適量Na2S（1%）溶液，使植物組織中的重金屬凝結(jié)，再將固定好的植物樣品用0.1 mol·L-1的磷酸緩沖液反復(fù)沖洗3～5次，經(jīng)50%、70%、80%、90%、95%和100%的乙醇溶液逐級(jí)脫水，每次15 min。經(jīng)冷凍干燥后切片鍍金，采用S4800型掃描電鏡，在5.0 kV的加速電壓條件下完成觀察并拍照[12]。

1.2.2 小飛蓬細(xì)胞壁提取分離與化學(xué)改性

小飛蓬細(xì)胞壁提取的操作步驟為：將不同Cd濃度（0、50、100 μmol·L-1Cd）處理的小飛蓬根、葉分別剪碎置于陶瓷研缽中，加入液氮研磨成粉末狀。先加入75%的冰乙醇對粉末浸提20 min，再于5000g的轉(zhuǎn)速下離心10 min，去上清液保留浸提物；在浸提物中依次加入1∶7（根重/體積）的冷丙酮、冷甲醇-三氯甲烷混合液（1∶1，V/V）和冷甲醇溶液再次浸提，離心20 min，去上清液，對剩余沉淀物進(jìn)行冷凍干燥，于4℃冰箱密封保存?zhèn)溆肹10]，并參考徐劼等[5]的方法將對照組小飛蓬根系和葉片的細(xì)胞壁粉末進(jìn)行酯化改性、果膠酶改性和氨基甲基化改性。

1.2.3 小飛蓬細(xì)胞壁Cd吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

參考武貝[13]的方法進(jìn)行Cd吸附：分別稱取0.05 g對照組未經(jīng)處理和經(jīng)改性后的小飛蓬根、葉細(xì)胞壁粉末，裝入底部有濾紙的濾頭內(nèi)，濾頭上下均連接導(dǎo)管，上導(dǎo)管泵入 5 mg·L-1CdCl2+0.01 mol·L-1NaNO3的吸附液，下導(dǎo)管用于連接自動(dòng)收集器。吸附液用蠕動(dòng)泵以5 mL·10 min-1流速泵入小管，經(jīng)細(xì)胞壁后用自動(dòng)收集器收集流出液，每10 min收集一管，直到流出液中Cd濃度與吸附液中相同，本試驗(yàn)約在400 min達(dá)到吸附平衡。用AAS（原子吸收光譜法）測定每管流出液中Cd2+濃度。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作圖（為防止圖中曲線不清晰，標(biāo)準(zhǔn)偏差未在圖中標(biāo)出，但均小于5%）。

1.2.4 小飛蓬細(xì)胞壁的傅里葉紅外光譜（FTIR）表征

利用傅里葉紅外光譜儀對Cd吸附前后的對照組未經(jīng)處理和經(jīng)改性后的小飛蓬根、葉細(xì)胞壁以及Cd脅迫處理后提取的小飛蓬根、葉片細(xì)胞壁進(jìn)行紅外光譜表征。分別稱取1 mg樣品粉末與150 mg KBr在瑪瑙研缽中混勻充分研磨，經(jīng)壓片機(jī)制備成透明、均勻錠片后用FTIR（光譜分辨率為4 cm-1，掃描范圍4000～400 cm-1）測定紅外光譜圖[14]。

混凝土橋面板分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分，預(yù)制部分采用C50混凝土，現(xiàn)澆部分采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，預(yù)制板縱橫梁均設(shè)置剪力鍵，在鋼梁支撐處設(shè)置厚5mm的橡膠墊片。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用單因子方差分析（ANOVA），用SNK法進(jìn)行數(shù)據(jù)組間的差異分析，顯著性水平為α=0.05；采用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小飛蓬組織結(jié)構(gòu)的SEM分析

利用SEM對小飛蓬葉片橫切面（圖1）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，CK組的小飛蓬葉片表面光滑，清晰可辨，組織排列有序無破損、結(jié)構(gòu)飽滿、木質(zhì)部和韌皮部輪廓分明。但在50 μmol·L-1Cd脅迫下，葉片組織發(fā)生明顯的變化，組織結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、排列無序雜亂、局部出現(xiàn)破損并形成一些碎片，木質(zhì)部和韌皮部畸形，皮層增厚，導(dǎo)管中出現(xiàn)大量晶體，并堵塞導(dǎo)管。

從小飛蓬根系橫截面圖（圖2）可以看出，CK組的小飛蓬根系組織結(jié)構(gòu)完整、形狀規(guī)則、排列整齊，根系皮層、木質(zhì)部、韌皮部以及凱氏帶等部位輪廓清晰易于分辨，切面的組織結(jié)構(gòu)表面平整且無雜質(zhì)。但在50 μmol·L-1Cd脅迫下，組織結(jié)構(gòu)排序混亂、結(jié)構(gòu)受損而失去完整性；相鄰細(xì)胞間的連接壁破裂、凱氏帶部分?jǐn)嗔眩y以識(shí)別；木質(zhì)部、韌皮部畸形，不易于區(qū)分；皮層細(xì)胞收縮、失去彈性且皮層增厚；細(xì)胞間出現(xiàn)大量晶體，并有晶體堵塞在導(dǎo)管中。

2.2 對照組小飛蓬細(xì)胞壁化學(xué)改性前后紅外光譜分析

圖1 不同處理下的小飛蓬葉片組織掃描電鏡圖Figure 1 SEM analysis of leaf tissue of Conyza canadensis under different treatments

圖2 不同處理下的小飛蓬根系組織掃描電鏡圖Figure 2 SEM analysis of root tissue of Conyza canadensis under different treatments

圖3 小飛蓬根、葉細(xì)胞壁改性前后傅里葉光譜Figure 3 The FTIR spectra of the root and leaf cell wall of Conyza canadensis before and after chemical modification

表1 小飛蓬根細(xì)胞壁改性前后傅里葉光譜分析Table 1 Analysis of FTIR spectra of the root cell wall of Conyza canadensis before and after chemical modification

對改性前后對照組小飛蓬細(xì)胞壁的紅外光譜圖（圖3）進(jìn)行解析，得到細(xì)胞壁在化學(xué)改性前后官能團(tuán)變化的信息（表1、表2）。小飛蓬根細(xì)胞壁經(jīng)酯化改性后，酯羰基（C=O）的伸縮振動(dòng)峰由1720 cm-1向高頻移動(dòng)至1739 cm-1，且峰強(qiáng)也明顯高于未經(jīng)處理的細(xì)胞壁；小飛蓬葉細(xì)胞壁未經(jīng)酯化改性前，1730 cm-1處無明顯峰值，經(jīng)改性后，該處峰強(qiáng)明顯高于未經(jīng)處理的細(xì)胞壁。此外，小飛蓬根細(xì)胞壁1560 cm-1處及葉細(xì)胞壁1565 cm-1處附近的羧酸鹽C=O不對稱伸縮振動(dòng)吸收峰均增強(qiáng)并向低頻移動(dòng)，1151 cm-1處的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰峰值增強(qiáng)，以上特征峰值的變化均表明羧基酯化改性成功。

果膠酶改性后，氨基的-CONH（酰胺Ⅱ帶）向低頻移動(dòng)，表明已去除蛋白質(zhì)中的果膠；小飛蓬根細(xì)胞壁1560 cm-1處的伸縮振動(dòng)吸收峰與未改性的細(xì)胞壁相比有所降低并向高頻移動(dòng)，說明已去除部分酸性果膠基團(tuán)，同樣的，小飛蓬葉細(xì)胞壁1560 cm-1處吸收峰峰值也有明顯的下降；另外，小飛蓬根細(xì)胞壁1113 cm-1處吸收峰減弱，該部分的果膠C-C或C-O被去除，而葉細(xì)胞壁3410 cm-1處的羧基伸縮振動(dòng)吸收峰與未改性的細(xì)胞壁相比峰形明顯變窄，以上結(jié)果均說明果膠酶改性成功。

在氨基甲基化改性后的小飛蓬根細(xì)胞壁紅外光譜圖（圖3）中，1637 cm-1和1618 cm-1處-C=O（酰胺Ⅰ帶）和-CONH（酰胺Ⅱ帶）吸收峰的峰高與未改性時(shí)相比有所降低，且小飛蓬根細(xì)胞壁3417 cm-1處的-NH特征峰向高頻移動(dòng)，這表明經(jīng)氨基甲基化改性處理后細(xì)胞壁上的N-H基團(tuán)減少。除此之外，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁的-CH3特征峰向高頻移動(dòng)，且1385 cm-1處的峰值有所增強(qiáng)，并在1338 cm-1出現(xiàn)新的峰值，說明經(jīng)改性后的甲基峰振動(dòng)增強(qiáng)，反映出氨基甲基化改性成功。

表2 小飛蓬葉細(xì)胞壁改性前后傅里葉光譜分析Table 2 Analysis of FTIR spectra of the leaf cell wall of Conyza canadensis before and after chemical modification

2.3 對照組小飛蓬細(xì)胞壁對Cd吸附動(dòng)力學(xué)及吸附位點(diǎn)研究

在吸附初期，對照組未經(jīng)處理和經(jīng)化學(xué)改性的小飛蓬根細(xì)胞壁對Cd的吸附速率均較快，且吸附量隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，但增加速度逐漸減慢。由圖4A可知，經(jīng)400 min的吸附后，未經(jīng)處理的根細(xì)胞壁對Cd的吸附量并未達(dá)到飽和，仍有吸附的潛力；小飛蓬根細(xì)胞壁經(jīng)酯化改性后其對Cd的吸附量相對降低了49.1%，其次是經(jīng)氨基甲基化改性后相對降低了38.5%，而經(jīng)果膠酶改性后相對降低了26.1%，由此可見，小飛蓬根細(xì)胞壁上的羧基和氨基是Cd吸附作用中的主要官能團(tuán)。未經(jīng)處理的葉細(xì)胞壁對Cd的吸附量高于根細(xì)胞壁的吸附量，在吸附的初期吸附速率快，且到后期仍保持較高的吸附速率，經(jīng)400 min的吸附后，未經(jīng)處理的根細(xì)胞壁對Cd的吸附未達(dá)到飽和，其吸附加速度緩慢下降，吸附量仍保持上升趨勢（圖4B）；小飛蓬葉細(xì)胞壁經(jīng)酯化改性后對Cd的吸附量相對降低了39.47%，其次是果膠酶改性，相對降低了30.23%，而氨基甲基化改性后相對降低了20.14%。其吸附位點(diǎn)與根細(xì)胞壁有不同之處，葉細(xì)胞壁上的羧基和果膠在Cd吸附中的作用較明顯。

2.4 對照組小飛蓬細(xì)胞壁吸附Cd前后紅外光譜分析

圖4 化學(xué)改性對對照組小飛蓬根、葉細(xì)胞壁吸附Cd的影響Figure 4 Effects of chemical modification on Cd adsorption in the root and leaf cell wall（CK）of Conyza canadensis

由表4可知，小飛蓬葉細(xì)胞壁吸附Cd后，-C=O（酰胺Ⅰ帶）、羧酸鹽C=O不對稱伸縮振動(dòng)和纖維素彎曲振動(dòng)多糖糖鏈C-C鍵向低頻移動(dòng)，且其峰強(qiáng)明顯增大，說明蛋白質(zhì)、羧酸鹽和纖維素等參與了Cd的吸附；與小飛蓬根細(xì)胞壁相似的是，酯基、硫酸酯C-O-S、多糖環(huán)結(jié)構(gòu)和果膠C-C等特征峰的峰強(qiáng)也有明顯的增強(qiáng)。吸附Cd后葉細(xì)胞壁硫酸酯化程度增加，說明硫酸酯參與了與Cd的結(jié)合，此外，羧基、果膠質(zhì)等物質(zhì)也發(fā)揮了重要的作用。

2.5 Cd脅迫下小飛蓬細(xì)胞壁吸附Cd的紅外光譜分析

圖5 對照組小飛蓬根、葉細(xì)胞壁Cd吸附前后紅外光譜圖Figure 5 The FTIR spectra of the root and leaf cell wall（CK）of Conyza canadensis before and after Cd adsorption

表3 對照組小飛蓬根細(xì)胞壁Cd吸附前后紅外光譜分析Table 3 Analysis of FTIR spectra of the root cell wall（CK）of Conyza canadensis before and after Cd adsorption

表4 對照組小飛蓬葉細(xì)胞壁Cd吸附前后紅外光譜分析Table 4 Analysis of FTIR spectra of the leaf cell wall（CK）of Conyza canadensis before and after Cd adsorption

利用FTIR進(jìn)行表征脅迫處理對照組的小飛蓬根細(xì)胞壁后，結(jié)合圖6A和表5可知，Cd脅迫后3415 cm-1處的-OH特征吸收峰峰形變寬，并向高頻位移，位移的程度隨Cd濃度的增加而增大，這是因?yàn)镃d的吸附導(dǎo)致根細(xì)胞壁上有大量的Cd2+存在，根細(xì)胞壁上的-OH官能團(tuán)與Cd發(fā)生了明顯的交互作用，可能是受到脅迫的小飛蓬根細(xì)胞壁為維持自身的穩(wěn)態(tài)而生成更多的-OH，因而峰形變寬。而向低頻位移的-CONH（酰胺Ⅱ帶）和羧酸鹽C=O不對稱伸縮振動(dòng)主要?dú)w屬為蛋白質(zhì)和果膠質(zhì)糖醛酸中的羧酸根離子。由表5可以看出，Cd的脅迫使各特征峰的峰值有所增加，但是隨著濃度的增加，1720、1225、1151、1113、1049 cm-1處的吸收峰峰強(qiáng)有較為明顯的下降，說明應(yīng)對不同濃度的Cd脅迫，小飛蓬根細(xì)胞壁的響應(yīng)機(jī)制有所不同。

由圖6B和表6可以看出，Cd脅迫后的小飛蓬葉細(xì)胞壁與對照組相比，各特征峰的吸光值都有較為明顯的上升，說明Cd脅迫破壞了植物本身的穩(wěn)態(tài)，且隨著Cd濃度的增加各特征峰的峰強(qiáng)也增強(qiáng)。低濃度Cd脅迫（50 μmol·L-1Cd）時(shí)，-C=O（酰胺Ⅰ帶）和羧酸鹽C=O不對稱伸縮振動(dòng)向低頻移動(dòng)，但高濃度Cd脅迫（100 μmol·L-1Cd）下C=O則向高頻移動(dòng)，說明小飛蓬在應(yīng)對Cd脅迫時(shí)通過調(diào)節(jié)果膠質(zhì)的含量來調(diào)節(jié)內(nèi)在的平衡，而3415 cm-1處的-OH/-NH特征峰峰形變寬并向高頻移動(dòng)，同時(shí)，纖維素糖鏈處特征峰和1419 cm-1附近的吸收峰也向高頻移動(dòng)，此處可能是由C-H伸展和C-O彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的，說明羧基、氨基以及羥基等均參與到Cd吸附的過程中。高Cd濃度處理下，-C=O（酰胺Ⅰ帶）和纖維素彎曲振動(dòng)多糖鏈向低頻移動(dòng)，-C=O（酰胺Ⅰ帶）特征峰峰形變寬，說明此時(shí)小飛蓬葉片中的纖維素和蛋白質(zhì)在吸收Cd的過程中發(fā)揮了重要的作用。

圖6 對照與不同Cd處理下小飛蓬根、葉細(xì)胞壁的紅外光譜表征Figure 6 The FTIR spectra of the root and leaf cell wall of Conyza canadensis under different Cd treatments

表5 對照與不同Cd處理下小飛蓬根細(xì)胞壁的紅外光譜數(shù)據(jù)分析Table 5 Analysis of FTIR spectra of the root cell wall of Conyza canadensis under different Cd treatments

表6 對照與不同Cd處理下小飛蓬葉細(xì)胞壁的紅外光譜數(shù)據(jù)分析Table 6 Analysis of FTIR spectra of the leaf cell wall of Conyza canadensis under different Cd treatments

3 討論

3.1 Cd對小飛蓬組織結(jié)構(gòu)的毒害效應(yīng)

Cd是一種高危的有毒物質(zhì)，僅微量就會(huì)對植物、動(dòng)物乃至人體健康有嚴(yán)重的毒害作用。在試驗(yàn)中，經(jīng)過7 d的100 μmol·L-1Cd脅迫后，小飛蓬靠近根部的葉片出現(xiàn)枯萎，部分新葉顏色發(fā)黃、葉尖干枯，部分葉片上出現(xiàn)黃黑色的斑點(diǎn)，部分根系顏色變深甚至發(fā)黑，這些癥狀均說明小飛蓬受到了明顯的Cd毒害。經(jīng)過SEM觀察后發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下小飛蓬根系和葉片組織中均發(fā)生結(jié)構(gòu)混亂，出現(xiàn)形狀不規(guī)則、皮層增厚及形成晶體等現(xiàn)象，說明Cd進(jìn)入植物細(xì)胞時(shí)，植物首先將其阻隔在細(xì)胞壁，重金屬離子與細(xì)胞壁內(nèi)的物質(zhì)形成晶體固定在外皮層和內(nèi)皮層組織中，有效減少其向木質(zhì)部、韌皮部等中柱組織內(nèi)遷移，從而減少植物其他細(xì)胞器中的游離重金屬，而中柱組織是植物運(yùn)輸水分和養(yǎng)分的重要部位[15]，因此能夠在不同程度上降低重金屬對小飛蓬的毒害作用，但是與對照相比，小飛蓬根、葉組織出現(xiàn)明顯的損傷，部分多余的Cd被沉積在小飛蓬根、葉的中柱組織。在以往的研究中，Chen等[16]利用掃描電鏡對棉花（Gossypium hirsutumL.）的根葉組織進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，根皮層和次生韌皮部以及葉上皮層的薄壁組織在Cd吸收固定中起著重要的作用。Liu等[17]利用能量色散X射線技術(shù)觀察洋蔥（Allium cepa）的根部細(xì)胞組織，發(fā)現(xiàn)Cd主要分布在鄰近表皮的皮層組織和薄壁組織中。因此，大量的Cd吸附固定于皮層組織，是小飛蓬耐重金屬Cd的重要機(jī)制之一。

3.2 小飛蓬細(xì)胞壁的Cd吸附位點(diǎn)

植物細(xì)胞壁是植物生長發(fā)育及應(yīng)對各種逆境脅迫的重要器官，通過區(qū)隔機(jī)制和適應(yīng)機(jī)制在植物抵御重金屬毒害方面起重要作用[18]。細(xì)胞壁中含有羥基、羧基和氨基等主要基團(tuán)，它們可與重金屬陽離子結(jié)合，從而降低重金屬對植物的毒害。但是不同植物的細(xì)胞壁組分對不同重金屬的吸附或絡(luò)合等過程的貢獻(xiàn)及其機(jī)制存在差異性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小飛蓬細(xì)胞壁經(jīng)過不同改性后對Cd的吸收量均有降低，葉細(xì)胞壁中吸附固定Cd的含量高于根系，按照降低量從高到低：根細(xì)胞壁為酯化改性＞氨基甲基化改性＞果膠酶改性；葉細(xì)胞壁為酯化改性＞果膠酶改性＞氨基甲基化改性。酯化改性主要讓細(xì)胞壁中的羧基與外來物的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，減少小飛蓬細(xì)胞壁上的羧基，考察羧基在細(xì)胞壁上與重金屬吸附的能力。試驗(yàn)中，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁中的羧基在與重金屬的吸附中起著重要作用，徐劼等[14]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，酯化改性處理后的細(xì)胞壁對重金屬Cd的吸附能力明顯降低，較對照降低了42.6%。Clemens等[19]通過降低甲基酯化程度，增加自由羧基的含量，從而增加了植物根細(xì)胞壁上Cd2+的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致對Cd2+的吸附固定增多。

果膠質(zhì)是植物細(xì)胞壁中帶負(fù)電的生物相組分，也是重金屬的主要結(jié)合位點(diǎn)，其主要包括同聚半乳糖醛酸聚糖（HG）、Ⅰ型鼠李半乳糖醛酸聚糖（RGⅠ）和Ⅱ型鼠李半乳糖醛酸聚糖（RGⅡ）[20]，這些多糖類物質(zhì)極易與重金屬陽離子結(jié)合。在試驗(yàn)中，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁經(jīng)果膠酶改性后對Cd的吸附量較對照分別降低了26.17%和30.23%，因此果膠也是小飛蓬吸附Cd的重要位點(diǎn)。與此類似的是，Douchiche等[21]通過調(diào)節(jié)亞麻幼苗同聚半乳糖醛酸聚糖的甲基酯化模式，使果膠結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而對細(xì)胞壁吸附固定Cd的能力產(chǎn)生影響。Krzes?owska等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫導(dǎo)致葫蘆蘚（Funaria hygrometrica）的根細(xì)胞壁加厚，果膠含量增加并將Pb固定在細(xì)胞壁上，有效抵御了Pb的脅迫。以上說明果膠在細(xì)胞壁吸附重金屬的過程中有一定的作用。

氨基甲基化改性去除細(xì)胞壁中的氨基后發(fā)現(xiàn)，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁Cd的吸附量分別降低了38.5%和20.14%，說明氨基基團(tuán)在一定程度上參與了小飛蓬細(xì)胞壁吸附Cd的過程，但并不是主要的官能團(tuán)。王夢等[23]的研究中發(fā)現(xiàn)氨基也是茶樹（Camellia sinensisL.）根細(xì)胞壁在Pb吸附時(shí)的官能團(tuán)之一，但并非主要官能團(tuán)。但Gardea-Torresdey等[24]的研究則發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿（Medicago sativa）組織細(xì)胞壁上氨基在Au（Ⅲ）的吸附過程中起主要作用。因此，細(xì)胞壁組分及官能團(tuán)在吸附重金屬的過程中隨植物種類、重金屬類型等條件的變化而產(chǎn)生差異。此外，Kulczycki等[25]對兩種細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同的細(xì)菌進(jìn)行吸附Cd試驗(yàn)，結(jié)果顯示這兩種細(xì)菌對Cd有非常相似的吸附性，說明兩種細(xì)菌的吸附特性取決于細(xì)胞壁聚合物間的化學(xué)反應(yīng)，而與細(xì)胞壁物理大分子結(jié)構(gòu)無關(guān)。但是目前國內(nèi)外關(guān)于植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特征（纖維素的結(jié)晶度、半纖維素的分支度和木質(zhì)素的單體等）對Cd吸附是否有影響的研究十分罕見，在今后的試驗(yàn)中可從這方面對小飛蓬進(jìn)行進(jìn)一步研究，為探究小飛蓬細(xì)胞壁在Cd吸附中的作用機(jī)制提供重要信息和新的研究方法。

3.3 小飛蓬細(xì)胞壁改性前后的紅外光譜定性分析

FTIR圖譜中植物細(xì)胞壁各組分及官能團(tuán)在與重金屬結(jié)合前后所對應(yīng)吸收峰的變化，可以表征其在重金屬吸附過程中的作用。在此試驗(yàn)中，3415 cm-1處附近的-OH特征峰峰形變寬，吸收峰向低頻移動(dòng)，說明Cd處理導(dǎo)致小飛蓬根細(xì)胞壁上的羥基官能團(tuán)參與了與Cd的絡(luò)合，而-OH主要源于纖維素、半纖維素和果膠等[26]，說明纖維素和果膠等對Cd的化學(xué)吸附發(fā)揮了一定的作用。1720 cm-1處附近的峰是酯化果膠中酯基的伸縮振動(dòng)吸收峰[27]，Cd處理導(dǎo)致該處特征峰向高頻位移，峰值增加，說明了在Cd的脅迫下小飛蓬細(xì)胞壁中果膠質(zhì)甲基酯化程度下降，從而增加了羧基的數(shù)量，說明Cd主要是與小飛蓬細(xì)胞壁果膠中的羧基官能團(tuán)結(jié)合。這與Renault等[28]的試驗(yàn)結(jié)果相似，他們研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥（Arabidopsis）根細(xì)胞壁在鹽脅迫后與對照相比，1770 cm-1特征峰峰值增加，向高頻位移，通過驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，擬南芥根細(xì)胞壁果膠中的羧基是鹽脅迫中起主要作用的官能團(tuán)之一。

另外，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫有可能誘導(dǎo)了小飛蓬細(xì)胞壁分泌和合成氨基酸、蛋白質(zhì)和多肽類物質(zhì)，小飛蓬葉細(xì)胞壁的酰胺Ⅰ帶（-C=O）和根細(xì)胞壁的酰胺Ⅱ帶（-CONH）的峰值增強(qiáng)，并向低頻發(fā)生位移，且光譜強(qiáng)度隨著Cd濃度的增加呈現(xiàn)升高的趨勢。這與Wei等[29]的研究結(jié)果類似，在15 mg·L-1Cd脅迫下，苜蓿葉在酰胺Ⅰ帶和Ⅱ帶的吸收峰發(fā)生位移，表明Cd脅迫可影響蛋白質(zhì)的合成或使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。重金屬脅迫促進(jìn)了植物細(xì)胞壁分泌氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)類物質(zhì)，這些物質(zhì)可能作為Cd的運(yùn)輸載體與Cd發(fā)生絡(luò)合作用，從而減輕了Cd對植物的毒害作用。但是有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，果灰蘚（Hypnum fertile）可溶性蛋白質(zhì)和糖類含量隨Cd脅迫強(qiáng)度的增加呈先上升后下降的趨勢[30]。當(dāng)重金屬脅迫的濃度處于植物耐性范圍內(nèi)時(shí)，植物會(huì)通過蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物的代謝對脅迫作出響應(yīng)，保持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抵御重金屬的毒害。此外，分布于紅外光譜900～1200 cm-1（糖鏈的特征峰帶）的是多糖信息的指紋區(qū)，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在此區(qū)域內(nèi)的纖維素糖鏈-C-H彎曲或-C-C、-C-O的伸縮振動(dòng)峰、果膠C-C或C-O、多糖環(huán)結(jié)構(gòu)C-C或C-O的伸縮振動(dòng)峰的強(qiáng)度降低并發(fā)生位移。在重金屬的脅迫下，小飛蓬細(xì)胞壁也會(huì)誘導(dǎo)合成一些纖維素、果膠、碳水化合物等多糖類物質(zhì)，提高了植物對Cd的耐性及細(xì)胞壁對Cd的吸附固定能力，緩解了Cd對植物的毒害作用。但是不同濃度的Cd脅迫下，該處特征峰的峰強(qiáng)隨濃度的增加而降低，50 μmol·L-1的Cd更容易促進(jìn)小飛蓬細(xì)胞壁纖維素等多糖的增加，與重金屬絡(luò)合并阻礙Cd進(jìn)入細(xì)胞中。王成等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)樹（Broussonetia papyriferaL.）幼苗葉片的FTIR光譜中多糖物質(zhì)所在的吸收峰的強(qiáng)度隨Cd脅迫濃度的增加而增加，表明構(gòu)樹幼苗葉片通過合成更多的纖維素、果膠和碳水化合物等成分來響應(yīng)Cd脅迫強(qiáng)度的增加。在Cd脅迫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，小飛蓬在50 μmol·L-1Cd脅迫處理時(shí)出現(xiàn)了生長不良的現(xiàn)象，而在100 μmol·L-1時(shí)植株生長受到明顯的抑制，甚至出現(xiàn)枯萎的現(xiàn)象，高濃度Cd脅迫嚴(yán)重影響了植物體內(nèi)的新陳代謝機(jī)能和植株健康，說明小飛蓬細(xì)胞壁通過調(diào)節(jié)羧基、羥基、氨基的含量，合成或代謝脂類、果膠、蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)使其在一定的重金屬濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出耐性。

4 結(jié)論

（1）在Cd脅迫下，小飛蓬將進(jìn)入其根、葉組織內(nèi)的Cd合成顆粒狀晶體，皮層組織是小飛蓬吸附固定Cd的重要部位，有效降低了Cd對組織結(jié)構(gòu)的毒害作用，保證其進(jìn)行正常的營養(yǎng)物質(zhì)吸收和水分運(yùn)輸。

（2）經(jīng)化學(xué)改性后，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁對Cd的吸附量均有不同程度的降低，其中，根細(xì)胞壁上起主要作用的官能團(tuán)是羧基和氨基，而葉細(xì)胞壁上羧基和果膠的作用較突出。

（3）在Cd脅迫下，小飛蓬根、葉細(xì)胞壁通過改變各化學(xué)組分的含量來調(diào)節(jié)其趨向有利的穩(wěn)定的狀態(tài)；小飛蓬根、葉細(xì)胞壁中的羥基、羧基和氨基是Cd的主要結(jié)合位點(diǎn)。小飛蓬根、葉細(xì)胞壁及其各組分對Cd具有較高的吸附固定能力，是小飛蓬對Cd的耐性及解毒的一種重要機(jī)制。