锰超富集Ilex物种叶片中锰及伴生元素的分布与季节动态

《Ecological Research》：Distribution and Seasonal Dynamics of Manganese and Associated Elements in Leaves of Manganese-Hyperaccumulating Ilex Species

　　

本研究旨在调查两种日本常绿冬青属物种（I. pedunculosa 和 I. crenata var. radicans）叶片中锰（Mn）、锌（Zn）、钙（Ca）和钾（K）浓度的季节变化，并使用线性混合效应模型（LMMs）评估这些元素之间的关联。此外，使用台式微X射线荧光（μ-XRF）方法评估了叶片元素分布模式。LMM分析揭示，两种冬青属物种中Mn和Ca浓度之间存在显著正相关关系，而Mn和Zn浓度之间的显著正相关关系仅在I. crenata var. radicans中检测到，表明冬青属内元素积累模式的种间差异。此外，μ-XRF分析显示，Mn在叶片表面集中在脉间区域和叶缘。在叶片横截面中，Mn主要分布在栅栏组织，而Ca优先定位于海绵组织和维管束周围。在I. crenata var. radicans中，Mn和Zn均主要分布在栅栏组织，该物种表现出较高的Zn浓度；然而，Zn也显示出在表皮组织中积累的趋势。这些结果揭示，冬青属物种中的Mn超富集并未伴随Ca浓度的降低，并表明Mn、Zn和Ca在叶片内表现出不同的空间分布模式。本研究为冬青属树木中Mn超富集机制的多样性提供了新的见解。

金属超富集植物是指能在地上部分（尤其是叶片）积累异常高浓度特定金属元素的物种。锰超富集（manganese hyperaccumulation，指叶片锰浓度≥10,000 mg kg^-1）的植物全球已报道约42种，但近期通过标本X射线荧光分析发现，冬青属（Ilex）是日本第二个主要锰超富集植物谱系，其中多个物种超过阈值。此前研究还揭示，Ilex属内及种间叶片锰与锌浓度呈正相关，但锰-锌共积累的生理机制尚不清楚。此外，在非污染土壤中，锰超富集植物对元素的空间分布策略存在多样性，如Gossia属将锰积累于栅栏组织，而其他物种则隔离于非光合组织。Ilex物种中锰、锌、钙的时空动态及组织水平分布未知，导致对锰超富集耐受机制的理解不足。因此，研究人员开展本研究，旨在通过季节变化分析和微X射线荧光成像，揭示Ilex物种的独特元素积累模式及隔离机制。论文发表在《Ecological Research》。

研究人员主要采用两项关键技术方法：第一，线性混合效应模型（LMM）用于评估元素浓度间的关联，将个体树作为随机效应，以处理重复测量；第二，台式微X射线荧光（μ-XRF）成像用于定性分析叶片表面和横截面的元素分布，像素尺寸为4–5 μm。样本来源：季节性实验所用I. pedunculosa（2棵，高约2.5–4 m）和I. crenata var. radicans（3棵，高约3–5 m）自然生长于日本福井县越前市福井综合植物园Plantopia半径500 m内；μ-XRF分析使用了来自三重县津市的I. pedunculosa个体和来自福井县的I. crenata var. radicans个体（与季节性实验中树C相同）。

研究结果如下：

**3.1 Temporal Changes in Leaf Mn Concentrations and Relationships With Other Elements in Two Ilex Species（两种Ilex物种叶片锰浓度的时间变化及其与其他元素的关系）**
通过LMM分析，研究人员发现两种Ilex物种中锰与钙浓度均呈显著正相关（I. pedunculosa: p=0.004; I. crenata var. radicans: p=0.019）。在I. crenata var. radicans中，锰与锌（p<0.001）、锌与钙（p<0.001）也呈显著正相关，而锰与钾（p=0.002）、钙与钾（p=0.003）、锌与钾（p<0.001）均呈显著负相关。I. crenata var. radicans的锌浓度全年约为I. pedunculosa的10倍（均值443–671 mg kg^-1 vs 38.6–45.2 mg kg^-1），且锰和锌浓度在采样期间（2022年10月至2023年10月）呈上升趋势，而I. pedunculosa中无此趋势。

**3.2 Leaf Elemental Distribution Revealed With μ-XRF Analysis（μ-XRF分析揭示的叶片元素分布）**
μ-XRF成像显示，在叶片表面，锰在脉间区域和叶缘信号较强，而中脉信号较弱；钙在中脉和叶缘信号较强；锌在I. pedunculosa中脉信号较强，在I. crenata var. radicans中全叶分布均匀。叶片横截面分析表明，锰主要分布在叶片近轴面的栅栏组织（palisade mesophyll）；钙优先分布在远轴面的海绵组织（spongy mesophyll）和维管束周围；与锰呈相反的空间分布。在I. crenata var. radicans中，锌与锰分布相似，但更靠近近轴面表皮，部分信号出现在表皮组织。线扫描分析进一步确认了锰和钙峰位的空间分离，而锌在I. crenata var. radicans中与锰重叠但延伸至表皮附近。

讨论部分指出，Ilex中锰与钙的正相关不同于常见的锰-钙拮抗关系，表明可能存在独特的转运或隔离机制，例如共享的NRAMP和ZIP家族转运体参与Mn²⁺和Zn²⁺转运，或CAX家族参与液泡隔离。此外，根际酸化可能提高锰溶解度。空间分布上，锰积累于栅栏组织与Gossia属类似，表明光合组织对锰的耐受性；钙集中于海绵组织和维管束，与细胞壁结构完整性相关；锌在表皮和栅栏组织的分布可能参与防御功能。研究局限性包括样本量有限且未追踪同一叶片，未来需结合病原感染实验和高分辨率分析。

研究结论翻译如下：
在本研究中，研究人员通过整合季节变化分析和叶片空间分布模式，研究了两种日本Ilex物种（I. pedunculosa和I. crenata var. radicans）中锰超富集与锌积累增加的关联。研究结果揭示了两种物种中锰与钙浓度均呈显著正相关。此外，在I. crenata var. radicans中检测到锰、锌、钙浓度之间的显著正相关，而μ-XRF分析表明锰、钙、锌被选择性分配到不同的叶片组织中。具体而言，锰优先积累于栅栏组织，钙富集于海绵组织和维管束周围，而I. crenata var. radicans中的锌倾向于比锰更靠近近轴面表皮侧。这些发现表明，I. crenata var. radicans中的锰超富集可能通过一种多元素积累策略建立，其中不同元素被功能性分区，而非先前提出的伴随钙积累减少的锰积累模型。将锌积累增加与钙的结构作用相结合的解释，为重新评估锰超富集不仅作为营养或毒理学现象，而且作为可能涉及金属耐受和病原防御的生理性状提供了视角。本研究强调了锰超富集植物中元素积累机制的多样性，并展示了Ilex物种中特有的锰-锌-钙分区模式。未来需要结合病原感染实验和组织特异性元素定位的高分辨率分析，以检验此处提出的多元素积累模式的生理和生态意义，并进一步推进对锰超富集的理解。