《Science of The Total Environment》：Heavy metal tolerance in Atlantic Forest species: Antioxidants, phytochelatins, or root exudates?
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本研究通过水培实验，对比了五种不同生活形式的亚马逊雨林植物对铜、镍、锌复合污染的生理响应和耐受机制。结果表明，先锋树和附生植物表现出较高耐受性，分别通过根排泄有机酸、叶绿素荧光和抗氧化物质（如谷胱甘肽）实现；而草本和藤蔓对重金属敏感。研究证实生活形式影响重金属积累和耐受策略，但生长速率不具预测性。需进一步研究其他物种和环境条件。
马特乌斯·卡萨里尼·西凯拉（Matheus Casarini Siqueira）|若昂·维托尔·卡西米罗（Jo?o Vítor Casimiro）|亚历克斯·多·纳西门托（Alex do Nascimento）|米里安·西莱内·斯帕西亚尼·里纳尔迪（Mirian Cilene Spasiani Rinaldi）|阿曼多·雷伊斯·塔瓦雷斯（Armando Reis Tavares）|玛丽莎·多明戈斯（Marisa Domingos）
环境研究所（Instituto de Pesquisas Ambientais），米格尔·埃斯特夫诺大街（Av. Miguel Estefno），3687号，圣保罗（S?o Paulo），圣保罗州，邮编04301-012，巴西
摘要
重金属（HM）对植物生理造成威胁；然而，一些物种通过根部分泌有机酸（ROAs）、合成植物螯合素（PC）和抗氧化剂（抗坏血酸 - AA，谷胱甘肽 - GSH）等策略来耐受这些金属。我们假设植物的生活型及其生长速率可能会影响其对重金属的耐受性。我们实验研究了五种大西洋森林（生物多样性保护的热点地区）的物种：快速生长的先锋树种（Schinus terebinthifolia）、生长缓慢的非先锋树种（Cariniana legalis）、快速生长的草本植物（Seemannia sylvatica）、快速生长的藤本植物（Passiflora edulis）以及生长缓慢的附生植物（Aechmea fasciata）。这些植物在水培条件下暴露于铜（Cu）、镍（Ni）和锌（Zn，即CuZnNi）中45天，然后测量了它们的生理反应（气体交换、叶绿素荧光、色素含量、生物量）以及重金属耐受策略（植物螯合素、有机酸、抗坏血酸、谷胱甘肽）。研究发现，不同物种具有不同的重金属耐受水平和机制。先锋树种和附生植物表现出最强的耐受性，仅有轻微的生理紊乱。先锋树种结合了避免机制（分泌植物酸）、固定机制（叶片中的PC3）和缓解机制（抗坏血酸）。附生植物主要依赖避免机制（多种有机酸）和固定机制（叶片中的PC2）。非先锋树种具有中等耐受性，采用了固定机制（叶片中的PC6）和缓解机制（抗坏血酸），但仍表现出显著的生理失衡。尽管具有各自的防御机制，草本植物（避免机制：草酸；固定机制：叶片中的PC4）和藤本植物（缓解机制：谷胱甘肽）对重金属非常敏感，表现出严重的毒性反应。我们的结果表明，植物的生活型会影响其对重金属的积累和耐受性，而生长速率并不是一个可靠的预测因素。需要更广泛的研究，包括更多的物种、金属和环境条件，以确定这些模式是生活型效应还是特定类群的响应。
引言
热带植物物种在气候变化、城市化、森林破碎化和环境污染的背景下面临越来越大的生存挑战。关于人为污染的一个主要全球问题是重金属（HM）造成的环境污染。这些元素在植物-土壤系统中的积累可能对植物有害，导致毒性（Vardhan等人，2019；Zwolak等人，2019）。在巴西的重要生物多样性热点区域——大西洋森林中，已经记录了铜（Cu）、锌（Zn）和镍（Ni）等多种重金属的污染（Marques等人，2021；Nakazato等人，2021）。车辆排放和工业过程等人为活动使得大西洋森林中的铜、锌和镍浓度升高到令人担忧的水平，尤其是在城市片段或靠近大型城市/工业中心的地区（Dafré-Martinelli等人，2020；Vasconcellos等人，2021）。铜、锌和镍对植物的生长和发育至关重要，但在高浓度下会破坏植物生理，降低净碳同化率、光利用效率、色素水平，同时增加氧化损伤并改变生物量分配（Ghori等人，2019；Gong等人，2019）。虽然了解铜、锌和镍各自的效应很重要，但受污染土壤中多种重金属的联合毒性对生物体和生态系统构成的风险更大，因此需要更多关注（Chen等人，2020）。
众所周知，植物已经发展出多种生理和生化防御策略来避免、耐受或减轻重金属的毒性。保护植物免受过量重金属侵害的主要策略之一是根部分泌有机酸（ROAs）（Osmolovskaya等人，2018）。有机酸作为金属螯合剂，与土壤中的自由金属结合形成不溶性的重金属-有机酸复合物，从而限制植物根部对重金属的吸收（Kar等人，2021），起到避免作用。另一种关键的生化策略是合成富含半胱氨酸（硫醇基团）的非蛋白质多肽，即植物螯合素（PCs）（Cobbett和Goldsbrough，2002）。植物螯合素在重金属吸收后将其螯合并随后将其隔离到细胞液泡中（Pandey等人，2019），作为细胞内的积累机制。研究表明，许多物种在重金属胁迫下会增加植物螯合素的合成（Beladi等人，2011；Navarrete等人，2019；Talukder，2021）。
虽然诸如限制吸收和螯合作用等机制可以有效减轻重金属的不利影响，但由于活性氧（ROS）的产生增加，仍可能发生氧化损伤（Mahmud等人，2019）。为了对抗氧化损伤，植物可以合成酶类抗氧化剂，如过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX），以及非酶类抗氧化剂如抗坏血酸（AA）和谷胱甘肽（GSH）。抗坏血酸和谷胱甘肽协同作用，通过清除多余的ROS在减少毒性方面发挥关键作用。此外，谷胱甘肽还是合成植物螯合素的前体（Liu等人，2015）。
在大西洋森林这样生物多样性极高的生态系统中，植物物种表现出不同的生活型，并占据不同的生态位（Marques等人，2021）。这些不同的生活型可能导致不同的策略来避免、积累和耐受重金属胁迫（Singh等人，2020）。研究表明，来自巴西大西洋森林的快速生长先锋树种具有有效的抗氧化系统，对氧化胁迫的耐受性更高（Brand?o等人，2017；Esposito等人，2018），积累更多的重金属，并且比生长缓慢的非先锋树种表现出更少的生物量失衡（Brand?o等人，2022；Barbosa等人，2024）。然而，大西洋森林本土物种针对多重重金属胁迫的具体防御策略（如有机酸的产生、植物螯合素的合成、抗坏血酸或谷胱甘肽的利用）仍知之甚少。通过实验暴露植物于多种重金属中可以提供有关其耐受机制的宝贵见解（Xie等人，2018）。此外，目前还没有研究探讨在同一森林环境中共存的具有不同生活型的植物物种在耐受策略和重金属积累能力方面的潜在差异。
为了解决这一空白，我们提出了两个假设：I. 具有不同生活型的植物物种自然适应不同的环境条件，因此表现出不同的重金属积累水平和耐受策略；II. 快速生长的物种（包括草本植物、攀缘植物和先锋树种）比生长缓慢的物种（如附生植物和非先锋树种）具有更强的耐受性。为了验证这些假设，我们研究了来自大西洋森林的五种具有不同生活型和生长速率的物种。这些物种在正常或高重金属浓度下进行水培培养，评估了它们的金属积累能力、关键生理特征（碳同化、叶绿素荧光、色素含量和生物量产生）以及生化防御机制（有机酸、植物螯合素和非酶类抗氧化剂）。
实验设计和采样程序
实验在巴西圣保罗州环境研究所（Instituto de Pesquisas Ambientais）的一个温室中进行，温室具有半控制条件（平均温度：25°C，平均湿度：50%；来自自然阳光的平均光合光子通量密度：1200 μmol m?2 s?1）（坐标：23°30′S 和 46°40′W；海拔770米）。
从商业来源获得了具有不同生活型的五种大西洋森林物种的幼苗
重金属积累
不同物种之间的金属积累能力存在差异，顺序如下（图1，表S5）：草本植物 > 藤本植物 > 先锋树种 > 附生植物 = 非先锋树种。
在对照组中，除了先锋树种的根部分外，其他器官中的铜浓度没有差异。非先锋树种、草本植物和藤本植物的根部镍浓度高于茎部或叶片中的镍浓度。然而，对于先锋树种来说
重金属积累
所有物种主要在根部积累过量的重金属（HM），作为保护机制减少了向地上组织的转移，这与多项其他研究结果一致（Galal和Shehata，2015；Wang等人，2015；Zang等人，2020）。重金属在根部的积累是被动发生的，细胞壁起到选择性屏障的作用，防止其进入细胞质并避免细胞损伤（Parrotta等人，2015）。大约70%到90%的吸收重金属可以积累在细胞内
结论
本研究中研究的具有不同生活型的本地大西洋森林物种（先锋树种、非先锋树种、草本植物、藤本植物和附生植物）表现出不同的耐受策略和重金属积累情况，证实了我们的假设I。S. terebinthifolia（先锋树种——快速生长）是一种耐重金属的物种，采用了避免、固定和缓解机制。A. fasciata（附生植物——缓慢生长）也是一种耐重金属的物种，依赖于避免机制
CRediT作者贡献声明
马特乌斯·卡萨里尼·西凯拉（Matheus Casarini Siqueira）：可视化、验证、方法论、调查、数据分析、概念化、撰写——审稿与编辑、初稿撰写。若昂·维托尔·卡西米罗（Jo?o Vítor Casimiro）：方法论、调查、数据管理。亚历克斯·多·纳西门托（Alex do Nascimento）：方法论、调查、数据分析。米里安·西莱内·斯帕西亚尼·里纳尔迪（Mirian Cilene Spasiani Rinaldi）：可视化、验证、概念化、撰写——审稿与编辑。阿曼多·雷伊斯·塔瓦雷斯（Armando Reis Tavares）：验证、监督、资源支持
资金来源
本工作得到了圣保罗州研究基金会（FAPESP）的支持（项目编号：2021/09686-9 和 2017/50341-0）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢圣保罗州研究基金会（FAPESP）的财政支持（项目编号：2017/50341-0 和 2021/09686-9），以及环境研究所提供的基础设施支持。
