遲克宇，范洪黎

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

不同積累型莧菜 (Amaranthus mangostanus L.) 鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征差異性研究

遲克宇，范洪黎*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

【目的】比較高積累型莧菜品種 Tianxingmi 與低積累型莧菜品種 Zibeixian 在 Cd 脅迫下 Cd 吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征差異性，揭示莧菜品種 Tianxingmi 高積累鎘的機(jī)理。 【方法】采用水培試驗(yàn)，添加代謝抑制劑來研究兩品種莧菜根系吸收 Cd 的主要途徑。分別在 30 μmol/L CdCl2處理 4 h、8 h、16 h、1 d 和 2 d 采樣測(cè)定，采用非損傷微測(cè)技術(shù) (Non-invasive micro-test technique, NMT)，進(jìn)行植物活體動(dòng)態(tài)測(cè)試，調(diào)查、測(cè)量兩品種莧菜根系 Cd2+離子流特征，比較了兩品種對(duì)代謝抑制劑的反應(yīng)。 【結(jié)果】在 30 μmol/L CdCl2處理 1 d 后，Tianxingmi 生物量達(dá)到最大值 5.90 g/plant，是 Zibeixian 生物量的二倍；Tianxingmi 根、莖和葉中 Cd 濃度分別為 609、254 和 62.3 mg/kg，分別是 Zibeixian 的 1.4 倍、1.9 倍和 1.6 倍，地上部和全株的 Cd 累積量分別高達(dá) 602.0、1308 μg/plant；Tianxingmi 富集系數(shù) (BCF) 與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF) 分別為 Zibeixian 的 2.1 倍和 1.5 倍，這些結(jié)果兩品種均表現(xiàn)出顯著性差異 (P ＜ 0.05)。NMT 技術(shù)測(cè)定兩品種根系 Cd2+離子流，通過掃描位點(diǎn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，距根尖 0～300 μm 范圍內(nèi)兩品種莧菜根系 Cd2+內(nèi)流最強(qiáng)且差別最大，并在此做定點(diǎn)位點(diǎn)測(cè)定，發(fā)現(xiàn) Tianxingmi 根系 Cd2+內(nèi)流是Zibeixian 根系 Cd2+內(nèi)流的 3.75 倍，說明了兩品種的富集特征與 NMT 結(jié)果一致。添加代謝抑制劑處理顯著降低了高積累型 Tianxingmi 各器官中的 Cd 濃度，富集系數(shù) (BCF) 與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF)，以及根系 Cd2+內(nèi)流 (P ＜ 0.05)，主動(dòng)吸收特征明顯，而對(duì)低積累型 Zibeixian 的相關(guān)生理指標(biāo)影響不大。 【結(jié)論】兩莧菜品種 Cd 吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征均表現(xiàn)出顯著性差異。Tianxingmi 具有更強(qiáng)的 Cd 吸收和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)與累積能力，并且根系對(duì) Cd 的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)是主動(dòng)需能的過程，共質(zhì)體途徑在 Cd 進(jìn)入 Tianxingmi 根系并向地上部運(yùn)輸?shù)倪^程中起著主要作用。

莧菜；Cd 吸收轉(zhuǎn)運(yùn)；代謝抑制劑；非損傷微測(cè)技術(shù)；共質(zhì)體運(yùn)輸

土壤中過量的 Cd 不僅會(huì)對(duì)其上所生長的植物產(chǎn)生毒害作用，還會(huì)通過食物鏈影響人類和動(dòng)物的健康[1]。土壤 Cd 污染引起的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈安全[2]。自然界存在一些可以積累大量鎘而不出現(xiàn)中毒現(xiàn)象的植物[3]，此類植物被稱作超積累植物[4–5]。不同積累型植物品種對(duì)鎘的耐性和積累能力差異很大[6]。高積累生態(tài)型植物東南景天其地上部莖、葉中 Cd 含量可分別高達(dá)9000 和 6500 μg/g[7–8]，而低積累生態(tài)型東南景天在Cd 處理濃度 100 μmol/L 下已經(jīng)無法存活[9]。高積累型茄屬植物 Solanum melongena 與低積累型 Solanum torvum 根系的 Cd 濃度差別很小，但前者木質(zhì)部傷流液中的 Cd 濃度卻是后者的幾倍，并且地上部 Cd 濃度前者顯著高于后者[10]。低積累型 Solanum torvum 中Cd 的木質(zhì)部裝載過程受到限制導(dǎo)致 Cd 從根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低，而高積累型 Solanum melongena中 Cd 與必需微量元素 Zn 和 Fe 有類似的轉(zhuǎn)運(yùn)通道，通過木質(zhì)部的高效轉(zhuǎn)運(yùn)，傷流液及地上部中 Cd 濃度顯著高于低積累型 Solanum torvum[11]。一般情況下，植物根系可以通過質(zhì)外體吸收離子，包括陽離子交換和擴(kuò)散兩個(gè)過程，屬于被動(dòng)吸收，不需要消耗能量[12]。根系也可以通過共質(zhì)體吸收離子，屬于主動(dòng)吸收，需要代謝過程產(chǎn)生的 ATP 水解所提供的能量[13]。這主要表現(xiàn)在對(duì)離子的高度選擇性吸收機(jī)制上，介質(zhì)中離子通過與植物根系的載體蛋白相結(jié)合形成離子-載體蛋白復(fù)合物，借助代謝產(chǎn)生的能量將其轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)[14]。Cd 從植物根部吸收并向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)過程的跨膜運(yùn)輸方式因植物種類及環(huán)境的不同存在差異，一般認(rèn)為超積累植物根系吸收與轉(zhuǎn)運(yùn) Cd 的過程以依賴能量的主動(dòng)吸收過程為主[15–16]。莧菜 (Amaranthus mangostanus L.) 生物量大且生長迅速，在中國品種資源豐富，已有研究對(duì)國內(nèi)地域代表性的莧菜品種進(jìn)行篩選并獲得了高積累型莧菜品種 Tianxingmi 與低積累型 Zibeixian[17]。在溶液 Cd 濃度 3 mg/L 條件下培養(yǎng)，高積累型 Tianxingmi 地上部 Cd 含量高達(dá)260 mg/kg。比較兩種不同積累型莧菜 Cd 吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征的差異性，可探究植物不同生理機(jī)制對(duì) Cd 積累的貢獻(xiàn)。本研究采用水培試驗(yàn)，評(píng)價(jià)兩種 Cd 積累型莧菜不同 Cd 脅迫下其吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征的差異性，采用代謝抑制劑、ICP-OES、NMT 技術(shù)等手段進(jìn)一步研究莧菜 Cd 吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其機(jī)制，為進(jìn)一步研究超積累植物 Cd 積累分布特征與高效轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與生長條件

選用兩個(gè)莧菜品種，分別是高積累型 Tianxingmi和低積累型 Zibeixian，采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所種質(zhì)庫。

將兩個(gè)莧菜品種的種子用 0.5% (V/V) NaOCl 進(jìn)行 15 min 表面消毒后，漂洗，并在 25℃ 去離子水中浸泡過夜。播種于蛭石–草炭基質(zhì)中培養(yǎng)，種苗生長出 3～4 片真葉后將其轉(zhuǎn)移至裝有 1/2 濃度的 Hoagland營養(yǎng)液[18]的育苗盆中培養(yǎng)，營養(yǎng)液組成列于表 1。培養(yǎng) 9 d (每 3 d 更換一次營養(yǎng)液) 后將莧菜種苗移入全Hoagland 營養(yǎng)液，再培養(yǎng) 9 d。營養(yǎng)液每天用 0.1 mol/L HCl 或者 0.1 mol/L NaOH 將 pH 調(diào)到 5.5～6.5，保持全天候通氣。環(huán)境溫度光照/黑暗為 25℃/20℃，相對(duì)濕度 60%～70%，光照/黑暗時(shí)間為 14 h/10 h。

1.2 電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析 (ICP-OES)

1.2.1 植株全鎘含量的測(cè)定 將莧菜種苗移入 CdCl2濃度為 30 μmol/L 的營養(yǎng)液中，分別在鎘處理 4 h、8 h、16 h、1 d、2 d 時(shí)間點(diǎn)收獲。將莧菜分為根、莖、葉三部分，根系用 20 mmol/L 的 Na2-EDTA 交換15 min 后，用去離子水沖洗干凈。105℃ 殺青后放入烘箱 70～80℃ 烘干、稱重，磨碎 (1 mm) 保存于干燥器中。采用 HNO3-HClO4(4∶1，v∶v) 消化法[19]，稱取烘干磨細(xì) (1 mm) 植物樣品 0.25 g 左右于 25 mL消化管中，加 4 mL 濃 HNO3，蓋上小漏斗，浸泡過夜。加入 HClO41 mL，瓶口蓋以小漏斗，在電熱板上加熱至 HNO3幾乎被蒸盡，瓶內(nèi)白煙慢慢消失，植物樣品變白，溶液呈無色透明，取下冷卻后定容至 25 mL。同時(shí)做空白。待測(cè)液用 ICP-OES 測(cè)定鎘濃度。每個(gè)處理重復(fù) 3 次。

表1 Hoagland 營養(yǎng)液組成 (mmol/L)Table 1 Composition of the Hoagland nutrient solution

1.2.2 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算方法 富集系數(shù)(Bioconcentration factor，BCF) 用于評(píng)價(jià)不同品種莧菜從污染環(huán)境中對(duì)重金屬鎘的富集能力：BCF= 莖葉中Cd含量/水中Cd含量。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (Translocation factor，TF) 用于評(píng)價(jià)莧菜自身Cd從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力： TF = 莖葉中Cd含量/根中Cd含量[20]。

1.2.3 代謝抑制劑羰基氰化物間氯苯腙(carbonylcyanide-m-chlorophenylhydrazone，簡寫為CCCP) 對(duì)莧菜鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征差異性影響 將莧菜種苗移入 CdCl2濃度、代謝抑制劑 CCCP 濃度均為 30 μmol/L 的營養(yǎng)液中，吸收 8 h 后收獲[21]。以后步驟同 1.2.1。

1.3 非損傷微測(cè)技術(shù) (NMT) 測(cè)量 Cd2+離子流

利用非損傷微測(cè)技術(shù)可以在植物體沒有任何損壞的情況下測(cè)量植物根系對(duì) Cd2+的動(dòng)態(tài)吸收情況(BIO-001A; Younger USA Sci. & Tech. Corp., Beijing, China)，精確探測(cè)離子或分子的運(yùn)動(dòng)方向和流速[22]。離子選擇性電極帶有一個(gè)直徑為 3 μm 的外部尖端，是通過三正丁基氯硅烷經(jīng)過硅烷化制成，并用一種工業(yè)離子選擇性混合劑填充 (Cd Ionophore I, 20909, Fluka, Switzerland)。以往的研究已經(jīng)證明 Cd2+電極對(duì)于其他陽離子具有高度排斥性，可作為 Cd2+在生命體系中運(yùn)輸?shù)难芯抗ぞ遊23]。離子流測(cè)試前，在 30 μmol/L 和 300 μmol/L 的 Cd2+溶液中校正微電極，至電極的十進(jìn)制能斯特斜率 ＞ 25 mV[24]。植株樣品經(jīng) 30 μmol/L CdCl2或 30 μmol/L CdCl2+ 30 μmol/L 代謝抑制劑 CCCP 處理 24 h 后，選取生長良好的根段進(jìn)行Cd2+離子流測(cè)試。測(cè)試溶液組成為 30 μmol/L CdCl2、100 μmol/L KCl、20 μmol/L CaCl2、20 μmol/L MgCl2、500 μmol/L NaCl、100 μmol/L Na2SO4、300 μmol/L 2 (N-嗎啡基) 乙磺酸 (MES)，pH 6.0[25]。非損傷微測(cè)技術(shù)測(cè)量的 Cd2+濃度梯度是依靠 Cd2+特殊微電極在距離根系表面 1.5 μm 范圍內(nèi)的兩個(gè)不同探測(cè)位點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)獲得的。采用計(jì)算機(jī) ASET 軟件記錄8～10 min 的 Cd2+離子流數(shù)據(jù)，使用 MageFlux (http://xuyue.net/mageflux) 對(duì)獲得的三維離子流量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算。正負(fù)值表示陰陽離子流的運(yùn)動(dòng)方向。負(fù)值表示陽離子內(nèi)流或陰離子外排，反之亦然。每個(gè)處理分析 6～8 個(gè)植株樣品，所有試驗(yàn)至少重復(fù) 3 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用 IBM SPSS Statistics (Version 20) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， ANOVA 計(jì)算數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，Excel 擬合圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種莧菜鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征差異性比較

2.1.1 莧菜生物量 兩品種莧菜各部分生物量如圖 1所示。在 CdCl230 μmol/L 處理后不同時(shí)段，兩品種根、莖、葉生物量間均表現(xiàn)出顯著性差異。與Zibeixian 相比較，Tianxingmi 根、莖和葉生物量變化隨著 Cd 處理時(shí)間變化的更加明顯。Tianxingmi 各器官生物量隨著 Cd 處理時(shí)間延長而增大，在 Cd 處理 1 d 之后，生物量開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng) 30 μmol/L CdCl2處理 1 d 后，Tianxingmi 生物量達(dá)到最大值 5.90 g/plant，是 Zibeixian 生物量的二倍。

2.1.2 植株鎘濃度 植物各器官中 Cd 濃度隨著 Cd 處理持續(xù)時(shí)間的延長而增加 (表 2)。從 CdCl2處理 4 h開始，兩品種莧菜葉片 Cd 濃度就表現(xiàn)出顯著性差異，處理 8 h 后，莖中 Cd 濃度表現(xiàn)出顯著性差異，16 h 后，根系 Cd 濃度表現(xiàn)出顯著性差異。兩品種莧菜在 30 μmol/L CdCl2處理 1 d 后，Tianxingmi 根、莖和葉中 Cd 濃度分別是 Zibeixian 的 1.4 倍、1.9 倍和 1.6 倍。生物量最大時(shí)，Tianxingmi 根、莖和葉中Cd 濃度分別為 609、254 和 62.3 mg/kg，地上部和全株的 Cd 積累量分別高達(dá) 602.0 和 1308 μg/plant。

圖1 鎘處理不同培養(yǎng)時(shí)間兩品種莧菜生物量干重 (CdCl230 μmol/L)Fig. 1 Dry biomass of two amaranth cultivars in different hydroculture time

表2 不同 Cd 處理時(shí)間兩品種莧菜不同部位 Cd 濃度 (mg/kg)Table 2 Cd contents in the root, stem and leaves of two amaranth cultivars in different Cd hydroculture time

2.1.3 富集系數(shù) (BCF) 與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF) 莧菜品種Tianxingmi 表現(xiàn)出比 Zibeixian 更高的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (表 3)。兩品種莧菜富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨著Cd 處理持續(xù)時(shí)間的延長而增加。30 μmol/L CdCl2處理 1 d 后，Tianxingmi 的富集系數(shù)為 Zibeixian 的 2.1倍，表明 Tianxingmi 從環(huán)境中富集重金屬 Cd 能力相對(duì)較強(qiáng)；Tianxingmi 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為 Zibeixian 的 1.5倍，表明 Tianxingmi 與 Zibeixian 相比，向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)更積極，具有更強(qiáng)的 Cd 累積能力。

表3 不同 Cd 處理時(shí)間兩品種莧菜富集系數(shù) (BCF)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF)Table 3 Bioaccumulation factor (BCF) and translocation factor (TF) of two amaranth cultivars hydrocultured in different time (CdCl230 μmol/L)

2.1.4 根系 Cd2+離子流 在 CdCl2處理的莧菜根系樣品進(jìn)行掃描位點(diǎn)測(cè)定 (圖 2a)，發(fā)現(xiàn)從根尖頂端起向根方向 0～2100 μm 范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的 Cd2+內(nèi)流，即根系從外界介質(zhì)中吸收 Cd2+。對(duì)根尖 0～300 μm 范圍內(nèi)定點(diǎn)位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，因?yàn)榇藚^(qū)域經(jīng)常觀察到最強(qiáng)有力的 Cd2+內(nèi)流現(xiàn)象且兩品種差別最大。如圖 2b和圖 2c 所示，兩品種根系 Cd2+離子流具有顯著性差異。在 8 min 的定點(diǎn)位點(diǎn)測(cè)定中，Tianxingmi 根系Cd2+內(nèi)流平均值達(dá)到 380 nmol/(cm2·s)，是 Zibeixian的 3.75 倍，表明與 Zibeixian 相比，Tianxingmi 根系存在更強(qiáng)的 Cd2+吸收能力。NMT 測(cè)試結(jié)果也與兩品種的富集特征相一致。這一結(jié)果與 Cd 高積累型富集材料 Solanum nigrum[25]相比較，Tianxingmi 根系 Cd2+內(nèi)流平均值是 Solanum nigrum 的 8 倍左右，表明Tianxingmi 在根系 Cd2+吸收方面具有更大的研究價(jià)值與應(yīng)用潛力。

圖2 Tianxingmi 與 Zibeixian 根系 Cd2+離子流Fig. 2 Net Cd2+fluxes in the roots of Tianxingmi and Zibeixian

2.2 代謝抑制劑CCCP對(duì)植物鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征的影響

在 30 μmol/L 代謝抑制劑 CCCP 與 CdCl2處理 8 h 后，兩品種莧菜根、莖和葉的 Cd 濃度表現(xiàn)出不同的特征 (表 4)。添加代謝抑制劑 CCCP 明顯抑制了Cd 在兩品種莧菜各器官中的累積。同時(shí)，代謝抑制劑 CCCP 處理顯著降低了高積累型 Tianxingmi 根、莖和葉中的 Cd 濃度 (P ＜ 0.05)，但低積累型 Zibeixian各器官中的 Cd 濃度影響不大。如表 4 所示，從富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)中也可以看出，添加代謝抑制劑 CCCP處理，高積累型 Tianxingmi 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著降低 (P ＜ 0.05)，但低積累型 Zibeixian 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)沒有顯著變化。

研究添加代謝抑制劑 CCCP 對(duì)兩莧菜品種根系Cd 吸收特征的影響，用非損傷微測(cè)技術(shù) (NMT) 進(jìn)行Tianxingmi 與 Zibeixian 根系 Cd2+離子流測(cè)定。結(jié)果表明，代謝抑制劑 CCCP 明顯降低了 Tianxingmi 根系 Cd2+內(nèi)流 (P ＜ 0.05)，即降低了根系對(duì) Cd2+的吸收能力；但對(duì) Zibeixian 根系 Cd2+內(nèi)流影響不大 (圖 2b、圖 2c)。

3 討論

高積累型 Tianxingmi 比低積累型 Zibeixian 具有更強(qiáng)的 Cd 耐受能力。生物量最大時(shí)，Tianxingmi 莖和葉中的 Cd 濃度分別為 Zibeixian 莖和葉中的 1.9 倍和 1.6 倍，Tianxingmi 富集系數(shù) (BCF) 為 Zibeixian的 2.1 倍 (表 2、表 3)，證明 Tianxingmi 不僅有從環(huán)境中富集 Cd 的高效吸收系統(tǒng)，其本身還有很強(qiáng)的Cd 解毒能力。有研究關(guān)于 Solanum 根系離子流在一定時(shí)間內(nèi)的定點(diǎn)位點(diǎn)測(cè)定中發(fā)現(xiàn)，高積累型 Solanum根系 Cd2+內(nèi)流平均值是低積累型的 2.78 倍，證明高積累型 Solanum 根系具有更強(qiáng)的 Cd 吸收能力[26]。為了支持這一觀點(diǎn)，我們利用非損傷微測(cè)技術(shù)證明了根系吸收特征差異導(dǎo)致 Tianxingmi 與 Zibeixian 不同的 Cd 積累特征 (圖 2)。同時(shí)與高積累型 Solanum 相比較，高積累型莧菜品種 Tianxingmi 根系 Cd 吸收能力更強(qiáng)，在應(yīng)用價(jià)值方面體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。植物根系對(duì) Cd2+的吸收通常有兩個(gè)途徑：質(zhì)外體吸附和共質(zhì)體吸收[27]。有關(guān) S. melongena 與 S. torvum 根系 Cd吸收特征的研究結(jié)果表明，S. torvum 根系 Cd2+橫向運(yùn)輸在內(nèi)皮層和中柱鞘受到限制而很難進(jìn)入中柱向地上部積累，而 S. melongena 根系 Cd2+橫向運(yùn)輸并未受到此限制[28]。由于凱氏帶[29]和栓化組織的存在，通過質(zhì)外體吸附途徑向中柱運(yùn)輸 Cd2+會(huì)在內(nèi)皮層受到限制，這可能是造成 Tianxingmi 與 Zibeixian 根系吸收以及 Cd 積累特征存在差異的原因。

表4 添加代謝抑制劑 CCCP 后兩品種莧菜的鎘濃度、富集系數(shù) (BF) 與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF)Table 4 Cd concent, bioaccumulation factor (BF) and translocation factor (TF) of two amaranth cultivars after addition of metabolic inhibitor CCCP

超積累植物品種 Cd 從根系中間維管束向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高，例如 Arabidopsis thaliana[30]和Echinochloa polystachya[31]。依照這些結(jié)果，Cd 處理時(shí)間為 4 h 時(shí)，兩品種莧菜葉片 Cd 濃度首先表現(xiàn)出顯著差異性；Cd 處理時(shí)間為 1 d 時(shí)，Tianxingmi 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF) 為 Zibeixian 的 1.5 倍 (表 2、表 3)。研究結(jié)果表明 Tianxingmi 向地上部轉(zhuǎn)運(yùn) Cd 更加積極，葉片具有很強(qiáng)的積累能力和耐 Cd 機(jī)制。同時(shí)有關(guān)Solanum 的研究表明，即使根系 Cd 濃度相同，高積累型品種地上部 Cd 濃度依然顯著高于低積累型品種[32]，也證明了這一點(diǎn)。超積累植物的超積累能力很大程度上是由于其具有向地上部高效轉(zhuǎn)運(yùn) Cd 的能力[33–34]。有研究認(rèn)為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白向木質(zhì)部裝載 Cd 不同的裝載能力是導(dǎo)致木質(zhì)部汁液及地上部 Cd 濃度差異的重要因素[10]。這些結(jié)果表明兩種莧菜存在不同的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制或木質(zhì)部裝載調(diào)控系統(tǒng)。

金屬離子進(jìn)入植物根系一般分為被動(dòng)吸收和主動(dòng)吸收兩種。被動(dòng)吸收是離子通過擴(kuò)散及杜南平衡進(jìn)入細(xì)胞，是順著電化學(xué)勢(shì)梯度 (濃度差) 不需要消耗植物代謝能量的一種物理過程[35]。主動(dòng)吸收是利用代謝過程中產(chǎn)生的 ATP 水解所釋放的能量，逆電化學(xué)勢(shì)梯度 (濃度差) 對(duì)離子進(jìn)行的高度選擇性吸收過程。本研究表明，高積累型 Tianxingmi 未添加代謝抑制劑 CCCP 組中根、莖和葉中的 Cd 濃度分別是添加代謝抑制劑 CCCP 組的 2.3 倍、31.5 倍和 4 倍，各器官 Cd 濃度均表現(xiàn)出顯著性差異 (P ＜ 0.05)(表 4)，這種差異在莖中格外明顯。而且添加代謝抑制劑CCCP 組高積累型 Tianxingmi 的富集系數(shù) (BCF) 與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF) 顯著降低 (P ＜ 0.05)(表 4)，表明高積累型 Tianxingmi 向地上轉(zhuǎn)運(yùn)過程被代謝抑制劑CCCP 完全抑制了。有關(guān)相關(guān)研究也證實(shí)添加代謝抑制劑 CCCP 后明顯抑制了高積累型 Arabidopsis halleri 根系 Cd 向木質(zhì)部裝載與地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[16]。我們也測(cè)定了 Tianxingmi 根系 Cd2+離子流 (圖 2b、圖 2c)，代謝抑制劑 CCCP 明顯降低了 Tianxingmi 根系 Cd2+內(nèi)流 (P ＜ 0.05)，添加代謝抑制劑 CCCP 組根系 Cd2+內(nèi)流下降為未添加組的 0.6 倍，代謝抑制劑 CCCP 直接抑制了高積累型 Tianxingmi 根系 Cd 的吸收，表明共質(zhì)體途徑對(duì)于高積累型 Tianxingmi 根系中 Cd 跨越凱氏帶進(jìn)入木質(zhì)部及向地上部運(yùn)輸起主要作用。然而另一莧菜品種 Zibeixian 對(duì)代謝抑制劑 CCCP 不敏感，表明共質(zhì)體途徑作用不明顯，其根系對(duì) Cd 的吸收及在木質(zhì)部裝載以質(zhì)外體途徑為主。相關(guān)研究也表明，共質(zhì)體途徑是高積累植物品種吸收和轉(zhuǎn)運(yùn) Cd的主要方式[36–37]。

4 結(jié)論

高積累型莧菜品種 Tianxingmi 與低積累型Zibeixian 相比較，具有更高的根系 Cd 吸收能力和根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。高積累型 Tianxingmi 共質(zhì)體途徑 (主動(dòng)吸收) 在 Cd 進(jìn)入植物根系，木質(zhì)部裝載和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中起主要作用。而低積累型 Zibeixian 中則是質(zhì)外體途徑 (被動(dòng)吸收) 起主要作用。

高積累型 Tianxingmi 生物量大、生長迅速，從環(huán)境中吸收及向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)輸鎘能力強(qiáng)，是一種良好的污染修復(fù)植物材料。

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Characteristics of Cd uptake and translocation in two cultivars of Amaranth (Amaranthus mangostanus L.)

CHI Ke-yu, FAN Hong-li*
( Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China )

【Objectives】 Characteristics of absorption and translocation of Cd in amaranth (Amaranthus mangostanus L.) with different Cd accumulation abilities were compared under cadmium (Cd) stress.【Methods】Hydroponic experiments basing Hoagland nutrient solution were conducted with two amaranth cultivars, Zibeixian (ZBX, a low Cd accumulator) and Tianxingmi (TXM, a high Cd accumulator) as testing materials. Plant samples were collected after the exposure to Cd stress solution (30 μmol/L CdCl2) of 4 h, 8 h, 16 h, 1 d and 2 d. The Cd contents were determined using ICP-OES method, and the dynamic accumulation in roots was monitored using none-invasive micro-test technique (NMT). The responses of the two cultivars to metabolic inhibitor were also compared. 【Results】After 1 d exposure, the total dry biomass of TXM is twice of ZBX, andreached to the maximum value of 5.90 g/plant. The cadmium contents in the roots, stems and leaves of TXM reached 609, 254 and 62.3 mg/kg, which were 1.4, 1.9 and 1.6 times of those of ZBX. The Cd accumulation amounts in the shoots and whole plants of TXM reached 602.0 and 1308 μg/plant. The bioaccumulation factor and translocation factor of TXM were 2.1 and 1.5 times of those of ZBX. All these results were significant difference between the two cultivars of amaranth (P ＜ 0.05). The biggest net Cd2+influx difference in the screening test of roots was within 0–300 μm from the tips. The net Cd2+influx in roots of TXM was 3.75 times of that of ZBX, and the enrichment characteristic was consistent with the result of NMT. Metabolic inhibitor significantly reduced the Cd indexes of TXM (P ＜ 0.05), but had little effect on Zibeixian. 【Conclusions】Compared with the cultivar ZBX, the cultivar TXM has stronger ability of Cd uptake and root-to-shoot translocation capacity, which is an active process, and has the symplastic pathway rather than the apoplastic bypass.

amaranth (Amaranthus mamgostanus L.); Cd uptake and translocation; metabolic inhibitor; NMT; symplastic transport

S636.4

A

1008–505X(2016)06–1612–08

2015–11–11 接受日期：2016–03–11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31372134）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0800806）資助。

遲克宇（1990—），男，遼寧丹東人，碩士研究生，主要從事重金屬污染修復(fù)研究。E-mail：chikeyu@yeah.net

* 通信作者 E-mail：fanhongli@caas.cn