锌积累对小米和燕麦的形态生理及毒理学影响：植物修复潜力与耐受机制解析

这篇研究通过体外实验系统评估了珍珠粟(Pennisetum glaucum)、指状粟(Eleusine coracana)和燕麦(Avena sativa)对锌(Zn)的积累特性及毒性响应。研究发现指状粟根部Zn积累量最高(131.67±6.01 mgL-1)，但其抗氧化酶(CAT/SOD/GPX)活性最低，表明防御机制受损；而珍珠粟和燕麦表现出更强的Zn耐受性，适合用于Zn污染土壤的植物修复(phytoremediation)。研究为重金属污染治理提供了重要作物筛选依据。

　　

Highlight

本研究通过对比分析三种粮食作物对锌胁迫的响应，首次发现指状粟展现出显著的超积累特性，而珍珠粟和燕麦则表现出更强的耐受性，为锌污染土壤的生物修复提供了新的作物选择策略。

Results

将指状粟、珍珠粟和燕麦种子培养在含不同浓度Zn(0-100 mgL^-1)的MS培养基上。结果显示：所有物种的Zn积累量均随培养基Zn浓度增加而上升，其中指状粟根部在100 mgL^-1 Zn时积累量达到峰值(131.67±6.01 mgL^-1)。三种作物根部Zn积累量比地上部分高2%-39%。锌毒性效应表现为：燕麦种子萌发抑制率最高(65%)，而指状粟对培养基Zn增加表现耐受；指状粟的芽和根伸长抑制率最大(分别达80%和97%)；珍珠粟的芽和根生物量减少最显著(约79%和87%)。叶绿素含量随Zn浓度增加显著降低，指状粟在100 mgL^-1 Zn时达到最低值(0.46±0.02 mg/g鲜重)。三种作物地上部分脯氨酸积累量较高，其中指状粟幼苗积累量最低(地上部10.9±0.12 μmol g^-1鲜重，根部8.5±0.25 μmol g^-1鲜重)。通过丙二醛(MDA)含量测定脂质过氧化程度，发现指状粟根部MDA含量最高(23.83±0.34 μmol g^-1鲜重)。值得注意的是，指状粟三种抗氧化酶(CAT、SOD、GPX)活性均为最低，表明其防御机制因Zn胁迫而受损。所有植株中超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性较高，而过氧化氢酶(CAT)活性随Zn浓度增加而下降。

Discussion

近期关于锌毒性和积累的研究在多种作物中展开。本研究发现培养基中微量Zn可能来自MS基础培养基的背景含量。作为必需微量元素，Zn在低浓度时促进植物生长，但过量则产生毒性。指状粟根部的高Zn积累(131.67 mgL^-1)使其成为潜在的Zn超积累植物(hyperaccumulator)，而珍珠粟和燕麦则表现出耐受性。指状粟生长参数受抑制最显著，与其高Zn积累导致的氧化损伤相关。脯氨酸作为渗透调节物质，其积累模式反映植物应对重金属胁迫的策略。MDA含量升高表明膜脂过氧化加剧，与抗氧化酶系统失衡相关。特别值得注意的是指状粟抗氧化酶活性最低，揭示其防御机制的特殊性。

Conclusion

本研究对比分析了锌积累对三种重要粮食作物的毒性效应。所有作物根部Zn含量均高于地上部，其中指状粟幼苗Zn积累量最高。就毒性效应而言，指状粟在幼苗生长和叶绿素含量方面受影响最大，使其不太适合在Zn污染土壤种植；而珍珠粟和燕麦表现出较强耐受性，适合用于Zn污染土壤的植物修复。