土壤外源釩施加對(duì)玉米中釩積累、亞細(xì)胞分布和非蛋白巰基含量的影響

侯 明，霍 巖，張志專，韋明奉

（桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

目前，重金屬對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的污染已引起全球的廣泛關(guān)注。當(dāng)植物受到重金屬毒害時(shí)，植物細(xì)胞通過自身防御功能使重金屬選擇性分布，避免重金屬對(duì)植物重要的組織、細(xì)胞及細(xì)胞器的損害[1]。Mwamba等[2]發(fā)現(xiàn)，在甘藍(lán)型油菜中，Cd 的大部分積累在可溶性部分，相比之下，在細(xì)胞壁和液泡中則有較多的Cu被隔離。Zhang 等[3]、司江英等[4]和沈奕昕等[5]研究表明，Cd、Pb 和Cu 主要分布在玉米的細(xì)胞壁區(qū)域，其次為細(xì)胞溶質(zhì)部分，細(xì)胞器中分布很少，且植物根部的金屬含量明顯高于莖葉部分。Hou 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，芥菜和小白菜的根部V的73.4%～78.6%、莖中的74.9%～79.8%、葉片中的86.6%～93.2%積累在細(xì)胞壁和可溶性部分，這表明在植物V 積累和解毒過程中，細(xì)胞壁和液泡共同起作用。細(xì)胞壁是重金屬進(jìn)入細(xì)胞的第一道屏障，它阻止了重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，這種抑制能力直接反映了植物對(duì)重金屬的耐受性。研究植物亞細(xì)胞中重金屬的分布，對(duì)于揭示金屬對(duì)植物的毒理和植物耐受性具有重要意義。非蛋白巰基（NPT）是防止植物受到重金屬毒害的植物體內(nèi)重要組成部分。非蛋白巰基化合物主要包括谷胱甘肽（GSH）、植物螯合素（PCs）和半胱氨酸（Cys）等，是植物去除重金屬的主要成分，重金屬與巰基類物質(zhì)的絡(luò)合是植物對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)[7]。PCs 是富含半胱氨酸的多肽物質(zhì)，其主要生理功能是PCs 通過與細(xì)胞內(nèi)-SH 基團(tuán)反應(yīng)形成毒性更低的金屬絡(luò)合物，并將其存儲(chǔ)在細(xì)胞液泡中，避免游離的重金屬離子遷移至細(xì)胞質(zhì)中，從而降低毒性作用。Aborode 等[8]研究表明 GSH 和 PCs 在擬南芥的亞硒酸鹽和砷酸鹽解毒中起著重要作用。李冬琴等[9]研究表明，NPT 可與水稻中的Cd螯合從而降低Cd 的毒性?？梢姡煌参镌诓煌闹亟饘倜{迫下產(chǎn)生不同的巰基蛋白質(zhì)，這些巰基化合物對(duì)于植物自身的解毒機(jī)制起重要作用。

V 被認(rèn)為是植物生長(zhǎng)非必需的微量元素。低濃度V 會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，但高濃度V 對(duì)植物產(chǎn)生毒性作用[10-11]。研究表明，V 對(duì)植物更具有流動(dòng)性和毒性[12]。近年來，V 污染對(duì)土壤和生物的影響引起了人們的關(guān)注。Imtiaz 等[13]研究表明，V 顯著增加了所有基因型鷹嘴豆的酶活性，降低了蛋白質(zhì)含量、植物的生物量以及根和莖的長(zhǎng)度，植物根部積累了大量的V。Saco 等[14]和 Yang 等[15]研究表明，從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)，菜豆和大豆均受到了V 的影響。V 主要積累在植物的根中，只有低于20%轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分。隨著土壤中V濃度的增加，細(xì)胞壁中V濃度與根中總V濃度的比值也隨之增加，植物可能產(chǎn)生自我防御系統(tǒng)以承受V 毒性。Tian 等[16]研究表明，大白菜中的V 從根到葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)極低，但土壤中活動(dòng)性最高的V通常為五價(jià)態(tài)，而葉片中的V（Ⅳ）占優(yōu)勢(shì)（占總V 的60%～80%），表明大白菜中V 具有生物還原性。中國(guó)的V產(chǎn)量占全球V產(chǎn)量的57%，在中國(guó)西南部有26.49%的土壤被V 污染[17]，廣西巖溶地區(qū)的獨(dú)特環(huán)境條件使土壤中全V 和可溶態(tài)V 含量較高，其耕層土壤中V 含量平均值達(dá)106.28 mg·kg-1，個(gè)別地區(qū)石灰?guī)r土壤背景高達(dá)565.7 mg·kg-1[18]，這有可能使V在作物中積累，進(jìn)而影響人體健康。近年來人們關(guān)注到V對(duì)蔬菜類植物生長(zhǎng)的影響，而糧食作物的研究較少，尤其是作物本身對(duì)V 的解毒機(jī)理罕見報(bào)道。甜玉米是華南地區(qū)廣泛種植的農(nóng)作物，保證甜玉米的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是這個(gè)新興農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，本文以甜玉米為研究對(duì)象，在以往的水培研究成果[19]基礎(chǔ)上，通過在土壤中施加外源V，研究了盆栽試驗(yàn)培養(yǎng)模式下，V在玉米植物體內(nèi)的生物積累、V 的亞細(xì)胞分布和非蛋白巰基化合物對(duì)V 的響應(yīng)差異，旨在從細(xì)胞分子水平探討V在植物中的生物學(xué)效應(yīng)，闡明植物的耐性機(jī)制，為環(huán)境中V污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)附近農(nóng)田土壤作為盆栽試驗(yàn)用土壤，土壤部分理化性質(zhì)的測(cè)定參考劉光崧等[20]文獻(xiàn)，結(jié)果見表1。

土壤經(jīng)風(fēng)干，除去石塊和垃圾，每盆（上直徑×下直徑×高：27 cm×17 cm×23 cm）稱取過篩（3.2 mm）后的土壤7 kg，每千克土壤施用N[CO（NH2）2]0.2 g、P2O5（KH2PO4）0.2 g、K2O（K2SO4）0.1 g 作為底肥，這些分析純?cè)噭┚苑勰┬问脚c土壤混勻。

供試玉米（Zea maysL.）種子為正甜68 超甜玉米種子（廣東金作農(nóng)業(yè)科技有限公司）。

表1 土壤部分理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗(yàn)處理

盆栽試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5 個(gè)不同的V 處理（0、100、200、300、500 mg V·kg-1土壤），分別以NH4VO3（AR）固體粉末的形式加入，每個(gè)處理6 個(gè)重復(fù)，每盆土壤充分混勻后陳化平衡7 d，備用。

挑選籽粒飽滿的甜玉米種子，用0.3% H2O2消毒30 min，洗凈，用純水浸泡6 h 后于30 ℃烘箱中催芽，將已萌發(fā)小芽的玉米種子播種于盆栽土壤中，所有盆都隨機(jī)排列并偶爾改變位置。待幼苗長(zhǎng)至3 片葉，每盆定為5 株，按大田栽培管理要求，按期澆水以保持土壤濕度。當(dāng)甜玉米幼苗生長(zhǎng)至5 片葉時(shí)（約38 d），收獲每個(gè)處理的4 盆玉米植株，另外2 盆在玉米含苞結(jié)籽后再收獲（約93 d）。第一次收獲的植物分成根和莖葉（幼苗期）用水洗凈（根部用0.1 mol·L-1EDTA溶液浸泡15 min，以除去表面吸附的金屬離子，再用水洗凈），再用純水洗滌2 次。將樣品分成兩部分，一部分樣品（2盆10株）用吸水紙吸干植物表面水分后，剪碎混合，分別準(zhǔn)確稱取每份1.000 g 的植物鮮樣，置于-20 ℃冰箱中保存，用于V 的亞細(xì)胞分布和非蛋白巰基含量的分析測(cè)定。第二次收獲的植株分為根、莖、葉和子實(shí)（成熟期），如上述方法洗凈后，將樣品（包括第一次收獲的另2盆樣品）放入烘箱100 ℃殺青10 min，置于60 ℃烘箱3 d。用分析天平記錄植物干質(zhì)量后，將樣品制成粉末狀，放入干燥器以備測(cè)定V含量。

試驗(yàn)所用試劑均為分析純，水為重蒸餾水。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 V的亞細(xì)胞分級(jí)

取出上述預(yù)處理好的新鮮（或冰凍）植物樣，將根、莖葉分別剪碎，將樣品與提取液[0.25 mol·L-1蔗糖+50 mmol·L-1Tris-HCl 緩沖液（pH7.5）+1 mmol·L-1二硫蘇糖醇（C4H10O2S2）]按 1∶10（g∶mL）的比例混合，在冰浴中用瑪瑙研缽將樣品研磨成勻漿，按下列步驟進(jìn)行細(xì)胞組分逐級(jí)離心分離：勻漿液在1500 r·min-1下離心20 min，沉淀為細(xì)胞壁及未破碎殘?jiān)‵1）；上清液在 2500 r·min-1下離心 10 min，沉淀為細(xì)胞核（F2）；上清液在 10 000 r·min-1下離心 30 min，沉淀為線粒體和葉綠體（F3）；上清液為核蛋白和可溶性組分（F4）。全部操作在4 ℃下進(jìn)行。

1.3.2 非蛋白巰基（NPT）、谷胱甘肽（GSH）和植物螯合態(tài)（PCs）含量的測(cè)定

在研缽中放入1 g鮮樣組織，加液氮研磨，加入預(yù)冷的50 g·L-1磺基水楊酸（SSA，含6.3 mmol·L-1DTPA，pH＜1）3 mL 和少量石英砂，冰浴研磨至勻漿。在4 ℃11 000 r·min-1下離心 15 min，收集上清液定容至 5 mL，4 ℃冷藏，按Keltjens 等[21]的5，5′-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）（DTNB）比色法測(cè)定NPT含量。在研缽內(nèi)放入1 g鮮樣組織，加入預(yù)冷的50 g·L-1三氯乙酸（TCA）3 mL和少量石英砂，冰浴研磨至勻漿，按上述方法離心并收集上層清液，測(cè)定GSH 含量。試驗(yàn)結(jié)果均為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。植物螯合肽（PCs）含量的測(cè)定：

1.3.3 V含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取一定量的植物樣品粉末和已蒸干濃縮的不同亞細(xì)胞組分，分別用HNO3和H2O2（V∶V=2∶1）在電熱板上消解直至溶液澄清，純水定容后用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定樣品中V 含量（GFAAS，nov AA 400P，Analytik Jena AG）。試驗(yàn)結(jié)果為3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，采用生物組分分析標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)菠菜（GBW10015，GSB-6）和柑橘葉（GBW10020，GSB-11）進(jìn)行樣品中V的質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)分析

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Translocation factor，TF）和富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BF）計(jì)算公式分別為：

使用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和Microsoft Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用Duncan 多重性方法比較分析同一品種不同處理間的差異顯著性。所得結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（平均值±SD，n=3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米植株的生物量

如表2 所示，玉米植株的葉片占植株生物量的11.7%～88.5%，莖占 21.0%～34.2%，子實(shí)占 14.6%～29.9%，根占10.8%～14.1%。不同生長(zhǎng)期玉米植株各器官生物量隨V 的脅迫濃度增大變化趨勢(shì)不同。V處理濃度增大，幼苗期玉米植株各器官生物量逐漸增加，成熟期生物量則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)V濃度在100～500 mg?kg-1，與對(duì)照相比較，幼苗期植物根和莖葉分別增加8.5%～138.0%和27.2%～126.6%，而成熟期的植物根、莖、葉和子實(shí)分別下降9.9%～31.8%、5.2%～38.4%、31.5%～60.9%和34.7%～51.4%。

2.2 玉米不同器官中V的積累

由表3 結(jié)果可見，在不同V濃度脅迫下，幼苗期甜玉米各部分V 積累量依次為：根＞莖葉，成熟期則為：根＞葉＞莖＞＞子實(shí)。多數(shù)V 積累在根部，且根部V含量遠(yuǎn)高于地上部。如圖1 所示，根部V 含量約占總量的74.8%～95.6%，莖葉部V 含量約占總量的4.4%～24.6%，子實(shí)中V 含量約占0.1%～0.6%，表明玉米植株將V 從地下部向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰^弱。隨著V濃度增大，植株各部分V 含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但根部增幅明顯大于莖葉。土壤經(jīng)過500 mg·kg-1V 處理后，與對(duì)照相比較，幼苗的根和莖葉中V 含量顯著增加1 635.7%和118.8%，成熟期的根、莖、葉和子實(shí)V含量增加3 342.6%、1 681.5%、753.3%和403.3%。同一生長(zhǎng)期土壤經(jīng)過不同濃度V 處理，植物根部V 含量具有顯著性差異（P＜0.05）。此外，土壤中V濃度較低（V≤100 mg·kg-1）并不明顯影響幼苗期莖葉、成熟期葉和子實(shí)中V含量。

如表4 所示，隨著土壤中V濃度增加，各生長(zhǎng)期玉米植株V 的富集系數(shù)（BF）逐漸增大，但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）呈下降趨勢(shì)。成熟期的BF（root/soil）明顯高于幼苗期，表明根系在生長(zhǎng)過程中積累了更多V。當(dāng)土壤中的 V濃度為 0 mg·kg-1，BF（grain/soil）的最大值僅有0.000 46，隨著土壤 V濃度增加，BF（grain/soil）值先下降后上升，但始終低于對(duì)照，可見子實(shí)對(duì)V富集能力很小。在玉米生長(zhǎng)期，不同V濃度脅迫時(shí)根到莖的TF（shoot/root）和根到子實(shí)的TF（grain/root）差異較大。對(duì)于V 處理過的土壤，幼苗期和成熟期的根到莖葉的TF 值[TF（shoot/root）]以及成熟期的根到子實(shí)的 TF 值[TF（grain/root）]，均明顯小于對(duì)照的TF 值，隨著V 處理濃度的增加，玉米莖葉和子實(shí)的TF 顯著下降。土壤V濃度從100 mg·kg-1到500 mg·kg-1，與對(duì)照組相比，玉米幼苗期的 TF（shoot/root）值下降了 62.4% 和 79.2%，成熟期的 TF（shoot/root）下降53.1%和68.1%，并且TF（grain/root）值較?。ň∮?.01），表明V 從玉米根到子實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)極少?？梢姡S著V 脅迫濃度增大，玉米植株積累V 的能力增強(qiáng)，由于植物根部固持V 的能力增強(qiáng)，減少了V 從根部向地上部分的運(yùn)輸，轉(zhuǎn)運(yùn)能力逐漸降低。

表2 不同V處理對(duì)玉米植株生物量分配的影響（g，干質(zhì)量）Table 2 Dry biomass of different parts of maize（Zea mays L.）seedlings under V stress（g，DW）

表3 不同生長(zhǎng)時(shí)期玉米根、莖和葉中V含量（mg·kg-1 DW）Table 3 V content in stems，leaves and roots of maize（Zea mays L.）plant in different growth periods（mg·kg-1 DW）

圖1 玉米植株器官中V含量所占比例Figure 1 Proportion of V content in organs of mazie（Zea mays L.）crops

2.3 V在玉米幼苗中的亞細(xì)胞分布

V 在玉米幼苗的亞細(xì)胞分布結(jié)果如表5、圖2 所示。玉米植株莖葉中V 主要分布在細(xì)胞壁（F1）和可溶性組分（F4），分別占總量的 31.94%～64.86% 和10.89%～28.82%，在細(xì)胞核（F2）和葉綠體、線粒體組分（F3）中分配較少，僅占 14.54%～19.07% 和 9.71%～20.17%。隨著V脅迫濃度增大，玉米莖葉中V在F1的含量明顯增加，而在F4中的含量顯著降低，F(xiàn)2和F3的含量變化較小。

植物根部V 的亞細(xì)胞組分分配與地上部明顯不同，升高的V濃度被可溶性組分（F4）吸收，其次是細(xì)胞壁（F1），F(xiàn)1和F4之和占總量的82.66%～87.02%。隨著V 脅迫濃度增加，根中V 在F1和F4中的分配變化與莖葉相同 ，當(dāng) V濃度從 100 mg·kg-1增加到 500 mg·kg-1，F(xiàn)1的比例從28.06%增加到54.36%，而F4的比例從57.37%降到30.36%，F(xiàn)2和F3的比例變化不大，二者之和占總量的12.98%～17.34%。

2.4 V脅迫對(duì)玉米中NPT、GSH和PCs含量的影響

玉米幼苗中非蛋白巰基（NPT）含量對(duì)比如圖3（A）所示，可以看出，隨著V濃度增大，莖葉和根中NPT含量均為先上升后下降，且莖葉中NPT含量增加明顯，根部變化平緩。莖葉和根中NPT 在V濃度為300 mg·kg-1時(shí)達(dá)最大值，分別為 2.47 μmol·g-1和 1.61 μmol·g-1，相比于對(duì)照增加了32.88%和20.24%，當(dāng)V濃度大于300 mg·kg-1，NPT含量下降，仍然高于對(duì)照，莖葉比對(duì)照增加了5.76%，而根系與對(duì)照比較沒有顯著性差異（P＜0.05）。

表4 玉米不同生長(zhǎng)期V 的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 4 Bioconcentration factor（BF）and translocation factor（TF）of V in different growth periods of maize（Zea mays L.）plant

表5 玉米幼苗莖葉和根亞細(xì)胞組分中的V含量（mg·kg-1 鮮質(zhì)量）Table 5 V content in the subcellular fractions in shoots and roots of maize（Zea mays L.）seedlings under V stress（mg·kg-1 FW）

圖2 玉米幼苗中V的亞細(xì)胞組分分配比例Figure 2 Percentages of subcellular fractions of V in maize（Zea mays L.）seedlings

從圖3（B）中可以看出，隨著V 脅迫濃度增大，玉米幼苗莖葉和根中谷胱甘肽（GSH）含量逐漸降低，在V濃度為 100 mg·kg-1和 500 mg·kg-1，與對(duì)照相比較，莖葉中GSH 含量下降了16.7%和82.6%，根中GSH 含量下降了13.1%和38.3%，莖和根的平均降幅分別為45.9%和23.6%。不同V濃度處理下，玉米幼苗各部分GSH 含量差異達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。與NPT 不同，根部GSH含量高于地上部。

同NPT 相似，隨著V 脅迫濃度增加，植物螯合肽（PCs）含量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)（圖3C），V 脅迫使得PCs 主要積累在玉米的莖葉部。在V濃度為300 mg·kg-1，莖葉和根中PCs含量達(dá)最大值1.88 μmol·g-1和0.54 μmol·g-1，相比于對(duì)照增加207.9% 和600.2%，可見，根系PCs 含量的增幅遠(yuǎn)大于莖葉（P＜0.05）。當(dāng) V濃度大于 300 mg·kg-1，PCs 含量下降，但仍遠(yuǎn)高于對(duì)照。莖葉中PCs 含量遠(yuǎn)高于根中PCs 含量，各V 處理下玉米莖葉和根中PCs 含量存在顯著性差異（P＜0.05）。

3 討論

植物生物量一定程度上反映植物的生長(zhǎng)活力，常作為敏感植物對(duì)逆境的響應(yīng)參數(shù)并用于測(cè)量植物對(duì)金屬脅迫的耐性。和Tian 等[16]研究的V 對(duì)大白菜生長(zhǎng)的影響結(jié)果相似，在玉米幼苗期，植物生命力旺盛，適量外源V激發(fā)了自身的防御系統(tǒng)，并刺激了新陳代謝機(jī)能，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)，所以，在一定范圍內(nèi)隨著V脅迫濃度增大，玉米植株各器官生物量增加。這種影響也可能是土壤施加外源V時(shí)，由于加入的釩酸銨的量增加，土壤中有效氮含量升高，而苗期土壤釩的生物有效性較低，因此隨著土壤V濃度增加，玉米植株各器官生物量增加。當(dāng)玉米植株發(fā)育到了成熟期，子實(shí)迅速生成，成為光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移中心，干質(zhì)量不再增加（表3）。此時(shí)，植物積累V 含量超過自身的防御能力，會(huì)傷害植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，破壞其生理代謝功能，所以，V 脅迫明顯抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育，植物葉片出現(xiàn)卷縮和發(fā)黃，生物量顯著下降，這與先前Imtiaz等[13]研究V 使鷹嘴豆生物量明顯下降相同。表明在逆境下，重金屬脅迫激活了植物代謝系統(tǒng)，加速了自身對(duì)重金屬的吸收，反過來又抑制了植物的代謝活動(dòng)，對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[24]。

玉米植物中V 的分布（表3、圖1）表明，玉米不同器官對(duì)V 的積累能力不同。隨著V 脅迫濃度增加，植物根系對(duì)V 的吸收顯著增加，使得V 在植物體內(nèi)的分布規(guī)律表現(xiàn)為，在新陳代謝旺盛的器官（如根部）蓄積量較大，而在營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存器官（如莖部、葉片）蓄積量則較少，這與Yang 等[15]和 Qian 等[25]研究結(jié)果一致。玉米根中V 含量較高，可能與V 進(jìn)入玉米作物根皮層細(xì)胞后，與細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、多糖類和核酸等結(jié)合形成穩(wěn)定的大分子螯合物或不穩(wěn)定性有機(jī)大分子而沉積有關(guān)，根已被證明是一個(gè)屏障，限制了金屬?gòu)母\(yùn)輸?shù)角o葉，從而減少了V 對(duì)玉米莖葉的傷害[14]。隨著V脅迫濃度升高，富集系數(shù)BF 值增加，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF（shoot/root）和 TF（grain/root）值明顯下降，BF 和 TF 值均小于0.5，可見玉米植株對(duì)V 的富集能力較低，且有較強(qiáng)的阻止V 從根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，緩解了V 對(duì)植物的毒害。玉米將V 從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到子實(shí)中的能力極低[TF（grain/root）＜0.01]，說明玉米根系對(duì) V 的固持可以降低V 通過食物鏈對(duì)人體造成的危害。事實(shí)證明，根中V含量高于其他組織中的V 含量是玉米的重要耐受機(jī)制。與非耐性植物相比，耐金屬植物的根中總是積累較高濃度的有毒金屬，而莖葉中則較低[26]，所以玉米是V的耐性植物。

圖3 V對(duì)玉米幼苗莖葉和根中NPT、GSH和PCs含量的影響Figure 3 Effect of V on the concentrations of the NPT，GSH and PCs in shoots and roots of maize（Zea mays L.）seedlings

金屬在植物組織中的選擇性分布，對(duì)于植物是否受到有毒金屬損傷具有重要的意義。玉米幼苗莖葉和根中V 大多數(shù)積累在細(xì)胞壁，其次是可溶性組分，兩者占總V 的65%（莖葉）和85%（根）以上，表明細(xì)胞壁（F1）和可溶性組分（F4）是主要的V 積累位點(diǎn)，它們對(duì)玉米作物的耐受性起重要作用。這與關(guān)于Cd在生菜和蘿卜中亞細(xì)胞分布報(bào)道一致[27-28]。在亞細(xì)胞水平上，細(xì)胞壁沉積和液泡區(qū)域化被認(rèn)為是最重要的兩種重金屬解毒機(jī)制[26，29]，V 在根和莖葉的細(xì)胞壁組分中比例較高（圖2，F(xiàn)1比例高達(dá)50%以上），表明細(xì)胞壁是儲(chǔ)存V 的重要部位，能束縛V 并限制跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，以維持植物細(xì)胞中正常生理活動(dòng)。當(dāng)細(xì)胞壁中結(jié)合位點(diǎn)達(dá)飽和后，V 將進(jìn)入植物細(xì)胞和液泡中[30]。液泡中含有多種蛋白質(zhì)、有機(jī)酸和有機(jī)堿。它們可以與V結(jié)合形成螯合物將V 限制在液泡中[31-32]，從而降低過量V 對(duì)植物的影響。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在高濃度V 脅迫下，植物細(xì)胞壁中V 比例顯著增加，可溶性組分比例減少，兩組分比例之和保持穩(wěn)定（圖2），這進(jìn)一步說明，大部分V 可能與細(xì)胞壁結(jié)合或積聚在空泡中，使得細(xì)胞質(zhì)的區(qū)隔化作用增強(qiáng)，可以有效抵御高濃度V進(jìn)入細(xì)胞器組分。這既有利于滿足植物體細(xì)胞對(duì)微量元素V 的需求，又減輕了過量V 對(duì)細(xì)胞器的傷害，從而保證維持植物細(xì)胞的正常生理代謝功能[6]。前述可知，V 在玉米幼苗根中積累的比例很高（圖1，占V 總量的74.8%～95.6%），而根細(xì)胞中，以細(xì)胞壁（F1）和可溶性組分（F4）為主要組分的亞細(xì)胞分布保留了大部分V（圖2，占根中V 總量的82.66%～87.02%），這就抵抗了V 從根向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，有助于減少V 對(duì)植物的傷害。所以，V 在玉米植物中的亞細(xì)胞分布規(guī)律體現(xiàn)了玉米幼苗對(duì)V的耐性反應(yīng)。

巰基化合物在植物的金屬耐受機(jī)制中起重要作用[26]。NPT 的合成是由細(xì)胞中的各種金屬和準(zhǔn)金屬誘導(dǎo)的，主要通過螯合金屬離子來實(shí)現(xiàn)防御金屬毒性[33]，玉米幼苗內(nèi)不同部位NPT 含量反映植物對(duì)V 的耐受能力。Mahdavian 等[34]發(fā)現(xiàn)，Pb 暴露能誘導(dǎo)駱駝蓬的NPT顯著增加。隨著V脅迫濃度增加，玉米幼苗根和莖葉中NPT 含量增加，而莖葉中NPT 增加得更多，莖葉部NPT 含量顯著高于根部，可見，V 顯著促進(jìn)玉米莖葉部非蛋白巰基化合物的合成，以修復(fù)和保護(hù)蛋白質(zhì)的-SH 基團(tuán)免受金屬毒性而不被氧化，減輕重金屬對(duì)植物的毒害。

GSH 作為植物中最重要的非蛋白巰基化合物和最豐富低分子量多肽，總是直接或間接地（作為酶和PCs 的底物）參與植物抗逆性，它是細(xì)胞中關(guān)鍵非酶抗氧化劑，能清除幾種潛在的有毒ROS（例如·或·OH），并幫助細(xì)胞應(yīng)對(duì)由氧化所引起的氧化應(yīng)激[35]。在金屬毒性情況下，有毒金屬離子具有高度活性并且與生物分子-SH 基團(tuán)具有高親和力，細(xì)胞通過合成植物螯合素PCs，減少細(xì)胞質(zhì)中游離金屬離子濃度來保護(hù)基本生物分子（如蛋白質(zhì)）的-SH 基團(tuán)[26，36-37]。本研究中 ，在 V 暴露下玉米幼苗中 GSH 降低，而PCs 含量顯著增加，植物消耗大量的GSH 來合成PCs 用于解毒，顯然，GSH 在預(yù)防V 損傷中起重要作用。盡管由于GSH 合成的減少而更多形成了可與V 螯合的 PCs，但隨著 V 脅迫濃度增加（＞500 mg·kg-1），會(huì)使GSH 減少到足以對(duì)其他細(xì)胞過程產(chǎn)生有害影響，這將對(duì)植物存在潛在危害，最終表現(xiàn)為抑制生長(zhǎng)。由于莖葉有比根更高的NPT 濃度以消耗GSH濃度，因此在玉米內(nèi)部對(duì)V具有更高耐受性可歸因于PCs對(duì)V的螯合能力增強(qiáng)?？梢?，在玉米植物的解毒機(jī)制中，在V脅迫下PCs似乎比GSH發(fā)揮更強(qiáng)的作用。

4 結(jié)論

（1）玉米植株根部積累V 含量顯著高于莖葉部，大大降低了V由根部向莖葉和子實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)，避免了過量V對(duì)植物的損傷。

（2）在外源V 的脅迫下，玉米體內(nèi)V 在細(xì)胞壁沉積和液泡區(qū)室化作用，以及 NPT、GSH 和 PCs 對(duì) V 的螯合，是重要的解毒機(jī)制。

（3）玉米植株能將吸收的V 隔離在植物根部，未表現(xiàn)出明顯的中毒癥狀，玉米是V的耐性植物。