环境科学  2016, Vol. 37 Issue (6): 2368-2375   PDF    
引用本文
潘声旺, 袁馨, 刘灿, 李亚阑, 杨婷, 唐海云, 黄方玉 . 芘胁迫对5种羊茅属植物根系分泌的几类低分子量有机物的影响[J]. 环境科学,2016, 37(6): 2368-2375.
PAN Sheng-wang, YUAN Xin, LIU Can, LI Yan-lan, YANG Ting, TANG Hai-yuan, HUANG Fang-yu . Effects of Pyrene on Low Molecule Weight Organic Compounds in the Root Exudates of Five Species of Festuca[J]. Environmental Science,2016, 37(6): 2368-2375.
芘胁迫对5种羊茅属植物根系分泌的几类低分子量有机物的影响
潘声旺1 , 袁馨2 , 刘灿1 , 李亚阑1,3 , 杨婷1,4 , 唐海云1,3 , 黄方玉1     
1.成都大学城乡建设学院, 成都 610106;
 2.中国人民解放军后勤工程学院国防建筑与环境工程系, 重庆 401131;
 3.云南农业大学资源环境学院, 昆明 650201;
 4.西南大学资源环境学院, 重庆 400715
收稿日期: 2015-11-18; 修订日期: 2016-01-07.
基金项目:国家自然科学基金项目(31300439);四川省教育厅科研项目(16ZA0385)
作者简介: 潘声旺(1973~),男,博士,副教授,主要研究方向为污染生态学,E-mail:panwang@swu.edu.cn
摘要: 根系分泌物与有机污染物的植物修复过程密切相关,研究胁迫条件下不同修复潜力植物根系分泌物的释放特征有助于揭示植物修复的内在机制.借助根际袋土培试验研究了芘胁迫(10~160 mg·kg-1)下5种羊茅属植物在不同胁迫期(30~70 d)时根系分泌物中几种低分子量有机物的释放特征.结果表明:①芘胁迫促进了根系对可溶性糖的分泌:随着胁迫水平的升高、胁迫期的延长,其分泌量呈"先升后降"变化趋势,胁迫水平为C3(40.36 mg·kg-1)、胁迫期为40 d时达到最大值;修复潜力越大,趋势越明显. ②芘胁迫增强了根系对低分子量有机酸的释放,修复潜力越大,释放高峰值出现时的胁迫浓度越高,且主要以草酸、乙酸、乳酸和苹果酸为主(>98.15%),但修复潜力较强物种的根系分泌物中也检测到微量反丁烯二酸. ③芘胁迫对氨基酸的种类影响不大,但对分泌量影响较大:苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸的分泌量随着胁迫水平的升高而剧增;脯氨酸、羟脯氨酸和天冬氨酸对芘胁迫的响应近乎以功能群的形式参与植物修复过程,参与的组分越多,修复潜力越强.可见,芘胁迫下根系分泌物中可溶性糖、低分子量有机酸以及氨基酸的释放特征与植物自身的修复潜力有关;修复潜力越强,释放量越多且成分越复杂,并表现出更强的环境适应性及生理可塑性.
关键词: 芘      羊茅属      根系分泌物      低分子量有机物      种间差异     
Effects of Pyrene on Low Molecule Weight Organic Compounds in the Root Exudates of Five Species of Festuca
PAN Sheng-wang1 , YUAN Xin2 , LIU Can1 , LI Yan-lan1,3 , YANG Ting1,4 , TANG Hai-yuan1,3 , HUANG Fang-yu1     
1.Faculty of Urban and Rural Construction, Chengdu University, Chengdu 610106, China;
 2.Department of National Defense Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistical Engineering University of the Chinese People's Liberation Army, Chongqing 401131, China;
 3.College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
 4.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract: Phytoremediation is an important measure to remove organic pollutants from contaminated soil, and the root secretion of plant is considered to be closely related to the mechanisms of phytoremediation of organic pollutants. It is in favor of revealing the mechanisms of remediation by studying the characteristics of root exudates of plants with phytoremediation potential under the stress of pollutants. In the present research, pyrene and five species of Festuca which have been testified to be tolerant to pyrene stress were selected as studied objects. A soil-cultivating experiment with rhizobag technique was conducted to investigate the effects of pyrene on low molecule weight organic compounds in the root exudates of plant species under five concentration levels of pyrene (10.19, 20.32, 40.36, 79.94,and 160.68 mg·kg-1,denoted by C1, C2, C3, C4 and C5,respectively) on day 30, 40, 50, 60 and 70 of experiments. The results showed that the presence of vegetation significantly enhanced the dissipation of pyrene in the soil environment. This effect was especially marked with Festuca arundinacea, followed by those with Festuca mazzetiana, Festuca pubiglumis, and Festuca longiglumis, and that with Festuca stapfii was the lowest. During the whole experiments, the amounts of soluble sugar excreted by the five species of Festuca tested in root exudates were promoted with pyrene stress, then fluctuated with a stable trend along with the increase of stress concentration or the extension of stress period, which appeared to rise appreciably at relative low pyrene spiked (C1-C3) or earlier stress stage (30-40 d) and reduce at relative high pyrene spiked level (C3-C5) or later stress stage (40-70 d), and the highest amount of soluble sugars in root exudates occurred on day 50 of experiments with 40.36 mg·kg-1 pyrene treatment. The greater the phytoremediation potential of the plant species tested, the more obvious this trend wads. Compared with the control treatment (CK), pyrene stress promoted the root system of all five species of Festuca tested to release more low molecular weight organic acids, the stronger the restoration potential of plant species, the higher the concentration of pyrene stress under which the amount of organic acids in root exudates was increased to the peak value. Among the five species of Festuca tested, oxlic acid, acetic acid, lactic acid and malic acid were the main components of organic acids in root exudates, with a percentage of greater than 98.15% in all pyrene stress treatments, but there were traces of fumaric acid in the roots secretion of plant species with the stronger restoration potential. Data also indicated that 19 types of amino acids were found in root exudates of Festuca and the composition of amino acids in root exudates of Festuca was stable under all pyrene stress treatments, but the amino acid amount was different in root exudates under pyrene stress. The amount of all amino acids in those root exudates increased with increasing pyrene concentration, especially, the amount of threonine, serine, glycine, and alanine increased significantly among the 19 types of amino acids and the differences were significant among different treatments with different pyrene concentrations (P<0.05). However, proline, hydroxy proline and aspartic acid were always released in the form of functional group as a response to the pyrene stress, their contents soared quickly with the increase of stress concentration in soils, and the difference was significant among different treatments with different pyrene concentrations (P<0.05); the more the components of functional group participated in stress response, the stronger the restoration potential of plant species. These results indicated secretion characteristics of soluble sugar, low molecular weight organic acids and amino acids in the root system were closely related to their phytoremediation potential under the pyrene stress, the greater the phytoremediation potential, the more the amount of these low molecular weight secretions and the more complex these components, and the stronger the adaptability to polluted environment and the physiological plasticity to adapt to these contaminants.
Key words: pyrene      Festuca      root exudates      low molecule weight organic compounds      interspecies difference     

多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是环境中普遍存在的持久性有机污染物[1]，多数具有“三致”效应. 因 PAHs性质稳定、 水溶性差，易于被土壤颗粒吸附，环境含量日益攀升[2]，严重威胁着环境质量及其生态安全； 土壤中 PAHs的迁移、 转化行为及其环境效应已成为环境修复领域的研究热点[3].

植物的存在能加快土壤中 PAHs的去除[4~6]，根系分泌物 (root exudates)营造的根际环境则是 PAHs快速消解的重要原因[7, 8]. 植物修复过程中，根系分泌物在改善土壤属性、 缓解环境胁迫、 提高 PAHs生物可利用性等方面具有重要作用[9~11]； 分泌物中可溶性糖类、 低分子量有机酸、 氨基酸等物质易于被微生物利用或做为共代谢基质[12, 13]. 因不同植物间根系分泌物的主要组分及其释放特征常存在一定差异[14]，对根际微生物的区系结构、 代谢活性的影响也不一样，进而表现出不同的修复潜力[15, 16]； 探讨 PAHs胁迫下不同修复潜力植物间根系分泌物中主要组分的释放特征及其种间差异，对于 揭示植物修复过程中不同植物修复潜力的种间差异具有重要意义[17]. 据此，本研究拟借助根际袋土培法，对比研究芘胁迫下不同修复潜力的5种羊茅属(Festuca)植物在不同生长期内根系分泌物中几种低分子量组分的释放特征，以期为环境修复过程中科学筛选修复植物、 提高修复效率提供依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 PAHs代表物

芘(Pyrene)是环境中广泛存在的烃类代表物，也是检测 PAHs污染的指示物. 本研究选择芘为 PAHs代表物(Aldrich公司产品，纯度 ＞98%).

1.1.2 供试植物

选择 5种羊茅属植物[苇状羊茅 (Festuca arundinacea Schreb)、 细芒羊茅 (Festuca stapfii E. Alexeev)、 昆明羊茅 (Festuca mazzetiana E. Alexeev)、 毛颖羊茅 (Festuca pubiglumis S. L. Lu)、 长颖羊茅 (Festuca longiglumis S. L. Lu)，购于四川省草原研究所]为供试植物. 将种子经 3%H2O2溶液消毒 20 min、 蒸馏水冲洗干净后于烧杯中浸泡吸胀 24 h，培养皿中恒温 (37℃)催芽 15 h后，播种于根际袋.

1.1.3 供试土壤

中性紫色土，采自成都大学试验农场(无污染史，47.62 pg ·L-1检出限下未检测到芘). 理化性质： pH 7.19，有机质含量 2.14×104 mg ·kg-1，CEC 20.43 cmol ·kg-1，速效 N、 P、 K分别为 31.62、 24.74、 94.81 mg ·kg-1； 砂粒、 粉粒和黏粒的质量分数分别为 71.27%、 9.59%和 19.14%. 土壤风干后过 2 mm筛，备用.

1.2 试验方法

土培试验采用根际袋试验装置在智能温室内进行. 试验涉及 3个处理的 5个水平(5种芘胁迫水平下 5种植物的 5个生长期)、 重复 3次. 具体如下： 按照 150.00 mg ·kg-1 CO(NH2)2、 50.00 mg ·kg-1 Ca(H2PO4) ·2H2O和100.00 mg ·kg-1 K2SO4比例补充底肥后，取少量上述过 2 mm筛后的土壤，均匀加入芘的丙酮溶液； 待丙酮挥发后，用未污染土不断稀释、 搅拌，过 2 mm筛、 混匀，制得 5个污染水平 ： 10.19 mg ·kg-1(C1)、 20.32 mg ·kg-1(C2)、 40.36 mg ·kg-1(C3)、 79.94 mg ·kg-1(C4)、 160.68 mg ·kg-1(C5). 取 2.00 kg一定芘含量的上述土样装入 20 cm×15 cm的塑料盆钵中，其中的 400 g装在 300目的尼龙网袋中； 尼龙网袋放在盆中央，四周及底部均为同质土样，保持袋内外土壤高度相同. 每种污染水平分装 75盆，50%田间持水量 (water holding capacity,WHC)于温室中平衡 5 d； 选取籽粒饱满、 大小均匀的催芽后种子单播于袋内土壤中，每种植物播种 15盆、 每盆 10颗，置于温室中； 另设一组没有播种的污染土样作为对照，每个处理重复 3次. 试验期间，日间室温为 25℃、 夜间为 18℃，自然光照条件； 每 2 d随机交换盆钵在温室中的位置，WHC维持在 50%(称重补水法). 播种日记为 0 d，在植物生长 30、 40、 50、 60和70 d时，分别对5种芘胁迫水平下的供试植物、 土样破坏性取样： 连同根际袋小心取出植物幼苗，抖落根际土壤后收集其根系分泌物； 充分混匀根际土壤、 非根际土壤后，四分法取样，装袋、 冷冻干燥，过 1 mm筛后低温 (-20℃)保存、 分析芘残留量.

1.3 根系分泌物收集

取出根际袋，用自来水将根洗净、 去离子水冲洗3遍后，放入盛有 40 mL Milli-Q超纯水的烧杯中，自然光照下收集 4 h，用少量高纯水 3次冲洗根系，冲洗液合并在根系分泌物中，慢速过滤(0.45 μm微孔滤膜)[18]. 将收集到的根系分泌物定容至 50 mL，贮于-20℃以下，待分析. 取 10 mL滤液真空冷冻干燥至干，加 1 mL Milli-Q超纯水溶解，贮于-20℃以下，用于分析低分子量有机酸. 取 20 mL滤液真空冷冻干燥至干，加 2 mL Milli-Q超纯水溶解，贮于-20℃以下，用于分析氨基酸.

1.4 分析方法 1.4.1 可溶性糖测定

蒽酮比色法[18]. 可溶性糖含量以每千克根(干重)分泌的可溶性糖计，mg ·kg-1.

1.4.2 低分子量有机酸测定

根系分泌物浓缩液过 0.45 μm膜后，HPLC测定，测试条件[19]： Agilent 1100色谱仪，XB-C18色谱柱，紫外检测器，检测波长为 210 nm，流动相为 0.025 mol ·L-1的 H3PO4-KH2PO4缓冲液 (pH 2.3)，流速为 0.7 mL ·min-1，进样量为 20 μL，柱温 30℃. 所有样品 3个重复.有机酸含量以每 kg根(干重)分泌的有机酸量计，mg ·kg-1.

1.4.3 氨基酸测定

根系分泌物浓缩液过 0.45 μm膜后，采用日立L- 8900型氨基酸自动分析仪测定. 测试条件[18]： 离子交换柱规格 2.6 mm×150 mm，交换树脂型号： NO2619(52051)，柱温 53℃，泵流速 0.225 mL ·min-1，进样量 50 μL，分析时间 72 min. 所用样品3个重复. 氨基酸含量以每 kg根 (干重)分泌的氨基酸组分计，mg ·kg-1. 仪器检测波长 440 nm，检出限为 2.2×10-9mol，保留时间重现性 CV 1%以下，峰面积重现性 CV 2%以下.

1.4.4 芘的测定

参照文献[7]，略作改进： 取2.0 g土样于离心管内，加入2.0 g无水硫酸钠，混匀； 加入10 mL二氯甲烷，40℃ 下超声萃取1 h； 4 000 r ·min-1下离心. 取3 mL上清液过Fisher Pasteur玻璃管硅胶柱，二氯甲烷和正己烷(1 ∶1)洗脱，40℃ 下浓缩至干，用甲醇定容到2 mL，过0.22 μm孔径滤膜后HPLC(Waters600)分析. 检测条件： DAD检测器，φ4.6×250 mm C18反相色谱柱. 甲醇加水(83 ∶17)为流动相，检测波长λ=235 nm. 在此条件下，土样中芘的检测限为47.62 pg ·L-1，加标回收率为94.36% (n=7，RSD＜6.58%).

1.5 数据分析

试验数据基本处理采用 Microsoft Excel 2003； 不同处理间的差异显著性借助 SPSS 11.5软件LSD法分析.

2 结果与分析 2.1 芘胁迫对待试植物生物量的影响

图 1为芘胁迫下5种羊茅属植物在 50日龄时的生长状况. 可以看出，轻度 (C1、 C2)、 中度 (C3、 C4)芘胁迫能刺激植物生长,其生物量(单株 干重)表现为 C4＞C3＞C2＞C1＞CK，同种植物(细芒羊茅除外)间，除C4与CK、 C4与C1外，不同胁迫水平间差异不显著(P>0.05)； 重度 (C5)芘胁迫则抑制植物生长,其生物量明显低于其它处理 (P<0.05). 其间，根冠比变化与生物量类似，但其最大值出现在C3水平，之后则逐渐降低. 相同胁迫水平下，除C4、 C5处理时的细芒羊茅外，待试植物的生物量间无不明显差异 (P>0.05)； 相比之下，芘胁迫对细芒羊茅的根系生长影响较大： 其根冠比一直低于 相同胁迫水平下其他植物，胁迫浓度越大，趋势越明显； C3~C5水平时，差异显著(P<0.05).

图 1 芘胁迫对待试植物生物量、 根冠比的影响 Fig. 1 Biomass of tested plants growing in the soil contaminated with different contents of pyrene and their root/shoot ratio

试验期间，芘胁迫在其它时段内对待试植物生长状态的影响与 50 d时类似. 总体上，除生物量略有变化外，待试植物均无其他表观受害症状、 呈现较强的芘胁迫耐受能力.

2.2 待试植物修复潜力差异

图 2显示了待试植物对芘污染土壤修复潜力的种间差异. 试验期间，苇状羊茅呈现出较强的修复潜力，所在土壤中芘的去除率远高于其它土样(n=5，P<0.05)； 昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅次之，细芒羊茅最差. 总体上，待试植物在试验前期(30~40 d)、 后期(60~70 d)内的修复潜力均低于试验中期(40~60 d) (P <0.05)，土壤中芘的去除率变化呈现明显的“S”型曲线，拐点出现在修复期的第50 d 前后.

图 2 待试植物对芘污染土壤修复潜力的种间差异 Fig. 2 Interspecies difference of phytoremediation potential of five plant species tested for pyrene-contaminated soils

2.3 根系分泌物中几种低分子量组分的释放特征 2.3.1 可溶性糖的释放特征

图 3显示，芘胁迫下，5种羊茅属植物根系分泌物中可溶性糖呈现相同的释放特征： 芘胁迫能不同程度地促进可溶性糖的分泌，并随着胁迫水平 [图 3(a)]、 胁迫期 [图 3(b)]的变化呈“先升后降”趋势. 相同胁迫期 (50 d)内，植物根系对可溶性糖的分泌量均高于对照组(CK)，其中 C3处理时可溶性糖释放量显著 高于其它各处理，C2、 C3、 C4处理与 CK组间差异显著(P<0.05)，但 C1、 C5处理与 CK组差异不显著 (P>0.05)[图 3(a)]. 相同芘胁迫水平(C3)下，不同芘胁期内根系分泌的可溶性糖量也不一样，40 d时最高，且明显高于其它时期 (P<0.05)，但在 30、 60和70 d时可溶性糖释放量差异不大 (P>0.05)[图 3(b)]. 可见，芘胁迫促进了根系分泌更多的可溶性糖，在一定胁迫水平、 胁迫期内，可溶性糖分泌量随芘胁迫强度的增大而升高，但超越此胁迫范围，分泌量开始减少.

图 3 不同芘胁迫水平、 胁迫期内植物根系分泌的可溶性糖数量 Fig. 3 Amount of soluble sugar excreted by the root system of plant species growing in soil with different contents of pyrene and growth stage

2.3.2 有机酸的释放特征

5种羊茅属植物根系分泌物中，草酸 (84.27%±0.06%)、 乙酸 (6.43%±0.04%)、 乳酸 (5.13%±0.04%)和苹果酸 (2.32%±0.03%)的质量分数之和超过了有机酸总量的 98.15%，是低分子量有机酸的主要组分. 其中，苇状羊茅根系分泌物中尚检测出微量的顺丁烯二酸(0.24%±0.01%)、 反丁烯二酸(0.19%±0.01%)，昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅的根系分泌物中检测出反顺丁烯二酸(0.49%±0.02%)，细芒羊茅的根系分泌物中仅检测出微量的顺丁烯二酸(0.13%±0.01%). 但同种植物在不同胁迫水平下的有机酸组成成分基本不变. 图 4为芘胁迫下，5种羊茅属植物根系分泌的低分子量有机酸总量的变化趋势.图 4(a)显示,相同胁迫期(50 d)内，单位干重苇状羊茅根系分泌的有机酸量总高于相同胁迫水平下的其它植物，胁迫水平越高、 分泌量越多，呈现 C5≥C4＞C3＞C2＞C1＞CK趋势,除 C4与C5间外，各胁迫水平间差异显著 (P＜0.05)； 昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅根系分泌的有机酸量以 C4水平最高，呈现 C4＞C3≥C5＞C2＞C1＞CK趋势,除 C3与C5间外，各胁迫水平间差异显著 (P＜0.05)； 细芒羊茅则以 C3水平最高，呈现 C3＞C4≥C2＞C5≥C1＞CK趋势,但 C4与 C2、 C5与 C1间差异不显著 (P＞ 0.05).

图 4 不同芘胁迫水平、 胁迫期内植物根系分泌的有机酸数量 Fig. 4 Amount of total organic acids excreted by the root system of plant species growing in soil with different contents of pyrene and growth stage

图 4(b)显示，不同胁迫期内，单位干重植物根系分泌的有机酸量也不一样，30 d时最高，且明显高于 其它时期(P<0.05). 相同胁迫水平 (C3)下，修复潜力最强的苇状羊茅在胁迫早期释放的有机酸最多，之后逐渐减少，呈现 30 d＞40 d＞50 d＞60 d≥70 d趋势,除 60 d、 70 d外，其余各时期间差异显著 (P＜0.05)； 修复潜力较强的昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅根系在胁迫早期 (30 d)释放的有机酸量最高 (P＜0.05)，之后各时期间差异不大 (P＞ 0.05)； 修复潜力最差的细芒羊茅在各个胁迫期内释放的有机酸量无明显差异 (P＞ 0.05).

2.3.3 氨基酸的释放特征

除色氨酸外，其它19种常见氨基酸均在待试植物的根系分泌物中检测到. 总体上,芘胁迫促进了植物根系对氨基酸的分泌，胁迫水平越高、 分泌量越多. 相同胁迫期(50 d)内[图 5(a)]，修复潜力较强的苇状羊茅根系分泌的氨基酸量总高于相同胁迫水平下的其它植物 (P＜0.05)，不同胁迫水平间差异显著(P＜0.05)； 昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅根系分泌的氨基酸量呈现 C5≥C4＞C3＞C2＞C1＞CK趋势，但 C5、 C4间差异不显著(P＞ 0.05)； 细芒羊茅根系分泌的氨基酸量虽随胁迫水平的升高而增多，但 C5、 C4、 C3间差异不显著 (P＞ 0.05). 相同胁迫水平 [C3，图 5(b)]下,苇状羊茅根系分泌的氨基酸总多于相同胁迫期内的其它植物(P＜0.05)，早期(30 d)释放量较低、 且明显低于其它时期(P＜0.05)，自 40 d起趋于稳定，各时期释放量无显著差异(P＞ 0.05)； 试验期间，昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅根系释放的氨基酸量呈现 30 d＜40 d＜50 d≤ 60 d≤ 70 d，30 d、 40 d、 50 d间差异显著(P＜0.05)，自 50 d起趋于稳定、 各时期释放量差异不大(P＞ 0.05)； 细芒羊茅释放的氨基酸量虽随胁迫期的延长而增多，但 60 d、 70 d间差异不显著(P＞ 0.05).

图 5 不同芘胁迫水平、 胁迫期内植物根系分泌的氨基酸数量 Fig. 5 Amount of total amino acids excreted by the root system of plant species growing in soil with different contents of pyrene and growth stage

试验期间，芘胁迫对根系分泌物中氨基酸的种类影响不大，但对分泌量影响较大，程度不一、 趋势紊乱. 但苏氨酸、 丝氨酸、 甘氨酸、 丙氨酸、 脯氨酸、 羟脯氨酸及天冬氨酸所呈现的释放特征较为突出.

与 CK组相比，芘胁迫促进了植物根系对苏氨酸、 丝氨酸、 甘氨酸、 丙氨酸的分泌： 试验浓度 (C1~C5)范围内，其分泌量随着胁迫水平的升高而剧增，不同水平间差异显著 (P<0.05). 脯氨酸、 羟脯氨酸和天冬氨酸在苇状羊茅根系也呈现类似的释放特征，但在细芒羊茅根系的释放量却忽高忽低、 杂乱无章 (表 1). 其间，昆明羊茅根系分泌的脯氨酸和天冬氨酸、 毛颖羊茅根系分泌的脯氨酸和羟脯氨酸、 长颖羊茅根系分泌的天冬氨酸均随着胁迫水平的升高而剧增，不同水平间差异显著 (P<0.05)； 但昆明羊茅根系分泌的羟脯氨酸、 毛颖羊茅根系分泌的天冬氨酸，以及长颖羊茅根系分泌的脯氨酸、 羟脯氨酸虽随芘胁迫水平的升高而增多，但不同水平间差异不显著(P＞0.05)(表 1).

表 1 芘胁迫50 d时待试植物根系分泌的7种特殊氨基酸释放量 Table 1 Amount of seven special amino acids excreted by the root system of plant species tested on day 50 of experiments under 40.36 mg ·kg-1 pyrene stress/mg ·kg-1

2.3.4 芘胁迫对低分子量根系分泌物释放特征的影响差异

对比分析图 3~图 5中芘胁迫对根系分泌物中可溶性糖、 低分子量有机酸、 氨基酸等组分的释放特征的影响时发现，根系对3类低分子组分的释放特征与植物自身的修复潜力有关. 相同胁迫条件(胁迫水平、 胁迫期)下，修复潜力较强的植物(如苇状羊茅)所产生的可溶性糖、 低分子量有机酸、 氨基酸总是多于其他几种植物； 修复潜力越强，3类组分的释放量、 组成成分的变化幅度就越大. 胁迫环境中，修复潜力较强的植物对芘胁迫总表现出更强的环境适应性、 生理活性的可塑性，修复潜力越强，趋势越明显.

3 讨论

近年来，PAHs污染土壤的植物修复研究得到很大发展. 植物的存在能够加快土壤中 PAHs的去除，但不同植物对 PAHs污染的修复潜力可能会存在很大差异； 植物修复过程中，植物直接吸收和积累作用在 PAHs的修复中作用并不大，根系分泌物在加速 PAHs的去除中可能发挥了很大作用. Yi等[20]利用 43种植物根部组织研究其对 PAHs的降解效应，结果表明，有些植物对 PAHs降解有明显促进作用，有些则无作用或有抑制作用. 本研究中，尽管 5种羊茅属植物在无污染 (CK)、 C1~C4芘胁迫水平下的生物量 (图 1)、 植物积累的芘含量(0.09%~0.22%，平均 0.16%±0.02%)无显著差异，但对芘污染的修复潜力却存在明显的种间差异 (图 2)，说明在植物修复过程中，植物对PAHs污染修复潜力的种间差异可能是无法回避的，即使是遗传关系很近的植物间也不例外，而这种差异更可能源于植物根系的分泌活动.

根系分泌物中各种低分子量有机化合物为根际微生物的生长活动提供了大量易被利用的碳源及能源，有利于微生物生长和形成特殊区系、 加速污染物消减[21, 22]. 本研究中，芘胁迫促进了根系分泌物中可溶性糖释放量普遍增多，并随着胁迫水平的升高呈现“先升后降”趋势 [图 3(a)]. 许超等[18]在研究芘胁迫对玉米根系分泌可溶性糖的影响时也得到相似结果. 但在相同胁迫水平下，同种植物在不同生长期内分泌的可溶性糖量并不相同，40 d时最高，之后逐渐降低 [图 3(b)]，其机理尚不清楚.

植物受有害物质毒害时，根系分泌物组成成分将发生局部变化，并伴随着部分组分的产生和累积[23]. 本研究发现，随着芘胁迫水平升高，根系分泌物中有机酸的分泌量显著增加(图 4). 但5种羊茅属植物对芘胁迫的应激反应却存在很大差异： 修复潜力最强的苇状羊茅分泌的有机酸总量与芘胁迫强度有关，强度越大，有机酸释放量越多； 修复潜力较强的昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅根系释放的有机酸总量以 C4胁迫水平时最高； 修复潜力较差的细芒羊茅则以 C3水平最高，之后则逐渐降低 [图 4(a)]. 不同胁迫期内，5种植物对芘胁迫的应激反应也不一样： 修复潜力较强的苇状羊茅、 昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅释放的有机酸在 30 d时最多，之后逐渐减少，但修复潜力较差的细芒羊茅在各个生长期内释放量却没有明显差异. 可见，植物对芘胁迫的应激反应特点与其自身的修复潜力具有一定的相关性.

在有机酸的组成成分方面，修复潜力最强的苇状羊茅根系的分泌物中能同时检测出一定量的顺丁烯二酸、 反丁烯二酸，修复潜力较强的昆明羊茅、 毛颖羊茅、 长颖羊茅的根系分泌物中仅检测出反丁烯二酸，修复潜力较差的细芒羊茅的根系分泌物中仅检测到微量的顺丁烯二酸. 此结论暗示： 羊茅属植物对芘污染的修复过程可能与根系分泌物中反丁烯二酸的存在有关； 尽管这一现象在后期的平衡添加试验中也得到验证，但其机理尚待进一步研究.

任何影响植物生长和生理的过程均会影响根分泌物的种类和数量，环境胁迫下的根际动态是植物对环境刺激响应的集中表现[24, 25]. 本研究中，芘胁迫促进了待试植物对苏氨酸、 丝氨酸、 甘氨酸、 丙氨酸的释放，许超等[18]、 谢晓梅等[19]在研究芘胁迫下玉米、 黑麦草根系分泌物时也得出类似结论. 试验期间，根系分泌物中脯氨酸、 羟脯氨酸和天冬氨酸对芘胁迫的响应更近乎以功能群的形式参与植物的修复过程，参与胁迫应激响应的功能群组分越多，修复潜力越强： 修复潜力最强的苇状羊茅根际，3种功能群组分均随胁迫水平的升高而剧增； 修复潜力次强的昆明羊茅、 毛颖羊茅根际，2种功能群组分随胁迫水平的升高而剧增； 修复潜力次差的长颖羊茅根际，仅1种功能群组分随胁迫水平的升高而剧增； 修复潜力最差的细芒羊茅根际，3种功能群组分的分泌量与芘胁迫水平无直接联系. 但这种响应模式是否具有普遍性，尚待进一步证实.

4 结论

(1)5种羊茅属植物对芘胁迫具有较强的耐受能力，试验浓度范围内仍生长良好； 轻度 (C1~C2)、 中度 (C3~C4)胁迫对生物量影响较小，重度(C5)胁迫虽抑制了部分生物量积累，但并无其它表观受害症状.

(2)芘胁迫促进了根系对可溶性糖的分泌，呈现“先升后降”波动： 一定胁迫水平、 胁迫时期内，单位干重根系分泌的可溶性糖随胁迫水平的升高而增大； 超过此浓度、 时间范围，可溶性糖分泌量反而降低.

(3) 芘胁迫促进了根系对低分子量有机酸的释放. 修复潜力越强，有机酸高峰值出现的胁迫浓度越高、 不同胁迫期间释放差异也越显著； 胁迫期越长，释放量越低. 其中，草酸、 乙酸、 乳酸和苹果酸是主要组分，其质量分数超过了有机酸总量的 98.15%，修复潜力较强植物的分泌物中还检测到反丁烯二酸.

(4) 芘胁迫对根系分泌物中氨基酸的种类影响不大，但对分泌量的影响较大. 苏氨酸、 丝氨酸、 甘氨酸、 丙氨酸的分泌量随着胁迫水平的升高而剧增； 脯氨酸、 羟脯氨酸和天冬氨酸对芘胁迫的响应更近乎以功能群的形式参与植物修复过程，参与的组分越多，修复潜力越强.

(5) 总体上，芘胁迫环境中，5种羊茅属植物根系分泌物中可溶性糖、 低分子量有机酸以及氨基酸的释放特征与其自身的修复潜力有关，修复潜力越强，释放量越多且成分越复杂，并表现出更强的环境适应性及生理可塑性.

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