磷對節(jié)節(jié)草銅富集性和轉(zhuǎn)運能力的影響

彭珊珊， 俞 茜， 羅 芳， 李 影

(安徽師范大學 生命科學學院，安徽 蕪湖 241000)

重金屬進入土壤系統(tǒng)中，導致生態(tài)環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量退化，并通過食物鏈最終進入人體，對人類的健康造成嚴重的威脅。因此，土壤系統(tǒng)中重金屬污染和治理一直是國際上的難點和熱點之一[1-2]。利用超富集(積累)植物提取修復技術(shù)已引起普遍關(guān)注。但目前，推廣和應(yīng)用植物提取修復技術(shù)的主要障礙是超富集(積累)植物生長緩慢，生物量小以及修復效率低等。通過運用農(nóng)學、工程學、植物營養(yǎng)學、物理、化學、生物學等強化措施提高超富集(積累)植物的生物產(chǎn)量和積累重金屬的能力，以達到提高其修復效率，是植物修復技術(shù)應(yīng)用的重要的發(fā)展方向[3-5]?，F(xiàn)階段提高植物對重金屬富集效率的途徑和強化措施主要包括施肥、添加劑的施用、基因技術(shù)改良以及其它農(nóng)藝措施等，其中，施肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的傳統(tǒng)農(nóng)藝措施，已成為植物修復過程中的必要手段而備受關(guān)注[3,6-8]。磷是植物必需營養(yǎng)元素，磷酸鹽有效促進植物生長，提高植物磷營養(yǎng)狀態(tài)；磷在植物的生理代謝過程中起著非常重要的作用，尤其在有機物的代謝和運輸方面具有非常重要的調(diào)控作用；磷與離子元素的交互作用以及植物根系對元素的吸收、轉(zhuǎn)運、分布、積累等方面也密切相關(guān)[7,9]。有研究表明[7,9,10-12]，磷肥的施加不同程度影響了土壤中重金屬離子的有效性，進而影響植物對重金屬的吸收和積累能力。陳同斌等[4]研究發(fā)現(xiàn)水培條件下磷對蜈蚣草砷吸收能力具有一定的促進作用。迄今為止，有關(guān)磷和重金屬離子在植物體內(nèi)的交互作用機制還不是很清楚，雖然施肥可促進植物生長，提高植物生物量，但與此同時，由于“相對稀釋”效應(yīng)的影響，植物體內(nèi)重金屬含量也許會下降，從而導致地上部累積的重金屬未必一定增加，因此施肥是否能提高植物修復效率仍是一個有待研究的問題。加強磷對超富集(積累)植物重金屬吸收和轉(zhuǎn)運作用的研究在提高超積累植物吸收和積累重金屬的能力具有重要的理論指導意義和實踐意義。

節(jié)節(jié)草(Hippochaeteramosissimum)隸屬于木賊科木賊屬，是多年生草本植物，葉片退化，分布廣泛，適應(yīng)性強。李影等[13-15]研究表明節(jié)節(jié)草可通過根部截留和細胞壁沉積，以及使體內(nèi)的Cu2+形成難溶性、活性低的化合物來降低過量的Cu對其的毒害。節(jié)節(jié)草對Cu具有較強的耐性和較高的積累能力，但是節(jié)節(jié)草對銅的富集特性主要表現(xiàn)為根部積累，地上部分積累量相對較低，使得實際修復效率較低。研究磷對節(jié)節(jié)草銅吸收和轉(zhuǎn)運的影響有助于節(jié)節(jié)草實際修復應(yīng)用的開展和研究。因此本文通過水培實驗，研究了銅脅迫下，不同濃度的磷對節(jié)節(jié)草銅的吸收和轉(zhuǎn)運情況的影響，探究磷與節(jié)節(jié)草銅富集特性的關(guān)系，以期為節(jié)節(jié)草修復效率的提高和實際應(yīng)用提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

于安徽銅陵獅子山銅尾礦庫隨機采集節(jié)節(jié)草幼苗。將采集的植物幼苗根部土壤清洗干凈，于正常土壤中預培養(yǎng)數(shù)周，待新苗長出后，取長勢一致的節(jié)節(jié)草幼苗，供溫室水培實驗。

1.2 實驗設(shè)計

以Hoagland全營養(yǎng)液配制NaH2PO4和CuSO4·5H2O(分析純)的溶液，使Cu脅迫濃度(以純Cu2+計)為20mmol·L-1，磷濃度分別為0、0.5、2.0mmol·L-1，以不添加CuSO4·5H2O和NaH2PO4的Hoagland營養(yǎng)液為空白對照組(0-0/Cu-P)，共計六個處理，分別標記為CK(0-0)，T1(0-0.5)、T2(0-2.0)、T3(20-0)、T4(20-0.5)、T5(20-2.0)。各處理組均設(shè)3個重復。取預培養(yǎng)長勢一致(株高約10cm)的幼苗進行處理培養(yǎng)，每盆種植5株，溫室中連續(xù)培養(yǎng)20d，四天進行一次處理液更換。培養(yǎng)結(jié)束時，樣品收集，先后用自來水和蒸餾水反復沖洗，ETNA-Na浸泡清洗根部，再用去離子水仔細清洗干凈，吸干表面水分，待測。

1.3 分析測定

1.3.1 節(jié)節(jié)草生物量的測定 采用直接截取法，將節(jié)節(jié)草分成地上莖、地下莖和根三部分，烘干至恒重，分別稱取其干重。

1.3.2 節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷含量的測定 分別稱取植物不同組織的樣品，通過H2SO4-H2O2分解提取植物體內(nèi)的磷，采用鉬銻抗比色法測定[16]。

1.3.3 節(jié)節(jié)草不同組織器官銅含量的測定 將節(jié)節(jié)草分成地上莖、地下莖和根，地下莖及根需用1mmol·L-1的EDTA-Na浸泡15min，108℃烘箱中殺青1h后，80℃下烘干6-8h至恒重，磨碎。分別稱取各樣1g，加入混酸5mL(濃HNO3:HClO4=5:1)，于低溫消化至灰白色，定容25mL，過濾，取濾液待測。采用原子吸收分光光度計測定Cu含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2010軟件和SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件進行圖表制作、數(shù)據(jù)的分析和差異顯著性檢驗。采用單因素方差分析和多重比較法(LSD)分別分析磷、銅單一和復合污染下的節(jié)節(jié)草的生長、銅含量等指標在不同

濃度組間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對節(jié)節(jié)草各組織部位生物量的影響

由表1分析可知，不同處理組間，節(jié)節(jié)草各組織器官的干重均表現(xiàn)出明顯的差異性(p<0.05)。當未施加磷時，20mmol·L-1的銅脅迫下，節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根的干重均明顯低于其對照組(0-0)，表現(xiàn)出明顯的銅毒害作用。在銅脅迫和非銅脅迫下，相對于對照組(0-0)，磷的施加均不同程度地促進了節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根部干重的增加，尤其是低濃度(P≤0.5mmol·L-1)的施磷時(T1、T4處理)，其促進作用較為突出(p<0.05)。

表1 不同水平處理對節(jié)節(jié)草各組織部位生物量的影響(mg·株-1(干重))

*:不同字母表示同一處理組不同濃度間存在顯著性差異

2.2 不同處理水平對節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量的影響

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下莖Underground stem，R：根Root圖1 不同處理水平下節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量(mg·kg-1)Fig.1 The Cu concentrations in different organs ofH.ramosissimum under applications(mg·kg-1)

由圖1分析可得，相對于對照組，在不同濃度的磷、銅處理下，節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根部銅含量均呈現(xiàn)明顯的差異性。在銅脅迫和非銅脅迫下(T1、T2、T4、T5處理組)，磷的施加不同程度地促進了節(jié)節(jié)草對銅的吸收和積累，其中當磷濃度低于0.5mmol·L-1(T1、T4)時，地上部和根部銅含量分別是對照組的3.38、1.49倍和1.57、1.19倍，表現(xiàn)出顯著的促進積累作用，而此時(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地下莖銅含量明顯下降，僅為其對照的50%左右。當磷的濃度高于2.0mmol·L-1(T2、T5)時，地上部和地下莖銅含量保持穩(wěn)定增長，根部銅含量有下降趨勢。說明低濃度的磷(≤0.5mmol·L-1)可顯著提高節(jié)節(jié)草對銅的吸收和向地上部轉(zhuǎn)運的能力，而高濃度的磷(≥2.0mmol·L-1)對節(jié)節(jié)草向地上轉(zhuǎn)運銅的能力促進作用不明顯。

由圖2分析可知，各處理組節(jié)節(jié)草對銅的富集主要以地下莖積累為主，S/R明顯小于1，說明磷的施加并未改變節(jié)節(jié)草以地下部為主要銅積累的特性。但當施磷水平較低時(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地上部銅積累能力顯著增強，S/R分別是其對照的5.16倍和2.69倍，但地下莖銅積累量明顯下降，顯示出部分銅離子可能向地上轉(zhuǎn)運的潛力；而當磷濃度達到2.0mmol·L-1時，節(jié)節(jié)草將銅離子向地上轉(zhuǎn)運的潛能明顯下降。

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下莖Underground stem，R：根Root圖2 不同處理水平下節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量的百分比Fig.2 Percentage of copper content in different organs ofH.ramosissimum under the applications

2.3 不同處理下節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷、銅含量的相關(guān)性分析

由表2可見：無磷和高磷處理下節(jié)節(jié)草地上部分磷、銅含量之間無顯著相關(guān)性；低濃度磷(≤0.5mmol·L-1)處理時，節(jié)節(jié)草地上莖磷、銅含量之間呈顯著的正相關(guān)；無磷和低磷處理時，節(jié)節(jié)草地下部分磷、銅含量之間均呈現(xiàn)顯著或極顯著的相關(guān)性；高濃度磷(≥2.0mmol·L-1)處理下節(jié)節(jié)草地下部分磷、銅含量之間無明顯相關(guān)。

3 討 論

重金屬在植株內(nèi)的運輸影響著植物對重金屬的吸收與耐性，以及重金屬在植物體內(nèi)的分布和金屬離子與植物體內(nèi)物質(zhì)的結(jié)合形態(tài)等[18,19]。磷肥是提高土壤肥

力和增加農(nóng)作物產(chǎn)量的常規(guī)農(nóng)藝措施之一，施磷肥會對普通作物和超富集植物吸收重金屬產(chǎn)生不同的影響[4,20-22]。有研究表明磷和重金屬離子之間存在著復雜的相互關(guān)系，磷能降低重金屬離子的毒性，并增強植物在過量重金屬脅迫條件下的長勢，相反地，土壤中高濃度的重金屬會明顯減弱植物對磷的吸取[23,24]。本研究發(fā)現(xiàn)，適量提高磷的濃度(≤0.5mmol·L-1)一定程度上能促進節(jié)節(jié)草的生長，提高其銅含量，增大銅的累積量，也有利于地下莖的銅向地上部轉(zhuǎn)運，但當磷濃度過高時(≥2.0mmol·L-1)，

表2 不同處理下節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷和銅含量的相關(guān)性分析

注：*表示顯著性；**表示極顯著性。Note:*indicates significant level atP<0.05;**indicates very significant level atP<0.01

節(jié)節(jié)草銅積累能力和轉(zhuǎn)運能力呈顯著下降趨勢。這可能是因為磷是植物體內(nèi)許多重要化合物(如核酸、核蛋白、磷脂等)的組成元素，參與植物體內(nèi)碳水化合物、氮和脂肪代謝，還能提高作物對干旱、寒冷和病蟲害等不良環(huán)境的抗逆性[18,22]。但是當植物體內(nèi)含磷量過高時，導致植物體內(nèi)N/P和K/P比例失調(diào)，對植物的生長和品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響[18]。金屬離子進入根細胞后，大部分是隨著蒸騰流向地上部遷移的，而節(jié)節(jié)草葉片退化，地上部的蒸騰拉力相對較小，這就可能造成銅離子隨蒸騰流向地上部運輸?shù)哪芰^低。節(jié)節(jié)草將金屬離子向上轉(zhuǎn)運的方式更多可能是以主動轉(zhuǎn)運為主，這就使得轉(zhuǎn)運過程中需要大量的能量(ATP)。磷是ATP代謝合成的關(guān)鍵性物質(zhì)，調(diào)控著植物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和許多重要代謝，不同形態(tài)的磷酸鹽與金屬離子的活性密切相關(guān)，一定水平的磷有效地活化了植物體內(nèi)惰態(tài)的銅，但是磷濃度過量會導致植物的營養(yǎng)失衡，進而影響植物體一系列的生理代謝，可能造成金屬離子轉(zhuǎn)運受阻。在本實驗節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷、銅含量之間的相關(guān)性分析中，低濃度磷(≤0.5mmol·L-1)與植物銅積累和轉(zhuǎn)運能力間有明顯的正相關(guān)性，說明適量均衡的施肥可有效促進節(jié)節(jié)草對銅離子的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運。但是過量施磷(≥2.0mmol·L-1)會導致植物營養(yǎng)失衡，植物生物量下降，以及銅含量和轉(zhuǎn)運能力呈現(xiàn)降低的趨勢。此外，與前人的研究結(jié)果相比，水培和土培的實驗結(jié)果存在明顯差異性。土培實驗表明，隨著施磷濃度的增加土壤中金屬離子的有效性明顯下降，從而降低植物對重金屬的吸收；而水培實驗中呈現(xiàn)為低濃度磷促進植物對金屬離子的吸收，高濃度磷抑制植物對金屬離子的吸收和轉(zhuǎn)運?？梢娏?、銅的互作效應(yīng)是相當復雜的，涉及銅的積累、轉(zhuǎn)運、及植物生長等多種過程，由于基因型和環(huán)境因素的差異都有可能改變磷、銅交互作用的效果，因此供磷的結(jié)果可能導致銅含量的增加、減少或不變，其機制還有待進一步深入研究。

綜合本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當增施磷可顯著促進節(jié)節(jié)草的生長，提高其干物質(zhì)產(chǎn)量，同時促進了節(jié)節(jié)草對Cu2+的吸收和Cu2+向地上部分的轉(zhuǎn)運和積累。但過度施磷將造成植物營養(yǎng)失衡，導致生理紊亂，不利于植物的生長以及銅的吸收和轉(zhuǎn)運。從植物修復角度考慮，借助農(nóng)藝施肥措施增加重金屬污染土壤中有效磷的含量對提高超積累植物吸收、積累重金屬的能力還是具有一定的促進作用，但是不同磷肥、不同物種以及不同生長環(huán)境與磷肥施加量有著密切聯(lián)系。