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铜是植物必需的营养元素,但在高浓度时又是具有极强毒性的重金属污染元素。铜具有变价和强络合倾向的化学特性,土壤-植物系统中铜的行为与铜的氧化态以及化学形态密切相关,但目前对于铜氧化态及形态与植物铜营养关系的认识仍然很不足。蛋白质类氨基酸(简称氨基酸)与铜之间存在很强的化学作用,但目前几乎没有关于氨基酸所诱导的铜氧化态与化学形态变化对植物铜吸收与转移影响的研究报道。本文通过短期水培试验,研究外源添加几种典型氨基酸对两种不同植物(玉米和大豆)的铜吸收与转移的影响效应,并初步探究有关影响机理,主要结果与结论如下:
半胱氨酸极显著地提高了玉米的铜吸收,大豆铜吸收则随着半胱氨酸浓度的增加而表现出先降低后升高的变化趋势:适当浓度的组氨酸促进了玉米的铜吸收与转移:随着赖氨酸浓度的增加,大豆铜吸收随之降低,但地上部铜积累量却随之增加;其它氨基酸(甘氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、脯氨酸和谷氨酸)对玉米、大豆铜吸收与转移的影响不显著或规律性不明显。玉米或大豆所吸收的绝大部分铜滞留在根部,转移到地上部的铜很少。
在同一离子活度水平下,Cu+处理的玉米或大豆铜吸收极显著地高于Cu2+处理,半胱氨酸为配体的Cu(Ⅰ)处理的玉米或大豆铜吸收极显著高于合成螯合剂BCDS为配体的Cu(Ⅰ)处理。这表明:Cu+离子的植物有效性优于Cu2+离子,半胱氨酸铜(Ⅰ)络合物也可能被根细胞直接吸收。
玉米(Strategy Ⅱ植物)的根还原酶活性很低,Cu(Ⅰ)的出现将明显改善铜的有效性,因而半胱氨酸诱导的Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)转化提高了玉米的铜吸收。大豆(Strategy I植物)的根还原酶活性很强,能有效地把Cu2+还原为Cu+而吸收。半胱氨酸诱导的Cu(Ⅱ)-Cu(Ⅰ)转化对大豆铜吸收的影响效应取决于Cu2+浓度下降所引起铜有效性降低与Cu(Ⅰ)出现所引起铜有效性增加的相对强弱,这与添加的半胱氨酸浓度有关。
在EDTA-Cu(Ⅱ)或富里酸-Cu(Ⅱ)缓冲溶液模拟根际铜供应条件下,加入半胱氨酸极显著地提高了玉米的铜吸收,但降低了大豆的铜吸收。根际Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)还原对玉米的铜摄取吸收可能具有重要的作用与意义,但对大豆铜摄取吸收的作用很小,这表明玉米、大豆具有不同的铜摄取吸收机制。
在铜毒害胁迫条件下,添加半胱氨酸极显著地提高了玉米和大豆的地上部铜积累量(即植物提取铜),玉米和大豆的生长也几乎没有受到不利影响。这表明Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)还原调控在植物修复铜污染环境方面具有很大的应用潜力。