《Theoretical and Experimental Plant Physiology》：Copper and lead trigger distinct responses in two Brazilian mosses
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摘要
金属污染，尤其是铜(Cu)和铅(Pb)造成的污染，是一种持续存在的环境威胁，然而新热带区苔藓植物对这些胁迫因子的适应性响应在很大程度上仍未得到探索。本研究在受控实验室条件下，评估了两种巴西原生苔藓（*Campylopus savannarum* (Mü
摘要
金属污染，尤其是铜(Cu)和铅(Pb)造成的污染，是一种持续存在的环境威胁，然而新热带区苔藓植物对这些胁迫因子的适应性响应在很大程度上仍未得到探索。本研究在受控实验室条件下，评估了两种巴西原生苔藓（*Campylopus savannarum* (Müll.Hal.) Mitt. 和 *Polytrichum juniperinum* Willd. ex Hedw.）在暴露于递增浓度的Cu和Pb后的生物量产量、光合性能和金属积累情况。研究人员假设，这两种苔藓在形态解剖学性状上的差异，特别是叶片腹面栉片结构、光合表面组织以及输导组织的存在与否，将导致其形成不同的金属耐受生理策略。在240天实验结束时，研究人员评估了生物量和光系统II的最大量子效率(Fv/Fm)，并量化了组织中的金属浓度。苔藓*P. juniperinum*表现出显著的耐受性，在所有处理中均保持稳定的生物量和光合能力，而*C. savannarum*则表现出明显的下降，尤其是在高浓度Pb暴露条件下。两个物种均表现出剂量依赖性的金属积累，但积累模式存在差异：与对照相比，*C. savannarum*在最高处理浓度下积累的Cu增加了近196倍，而*P. juniperinum*积累的Pb约为对照的44倍。这些对比鲜明的响应可能反映了物种特有的金属耐受策略。这些结果使新热带苔藓植物成为有价值的生物指示物，并有望成为生成基因组数据的材料，以加深对苔藓植物金属耐受机制的理解。未来研究应关注组织水平的金属分配以及巴西原生苔藓植物耐受性背后的分子机制。
**两种巴西苔藓对铜和铅的差异化响应：物种特异性金属耐受策略的生理学证据**
**1. 研究背景与目的**
土壤作为一种有限且脆弱的资源，形成于漫长的地质时间尺度，却极易在相对较短的时间内因人类活动而严重退化，其中农业生产和工业过程是主要的干扰因素。在此背景下，土壤污染——即元素累积超过自然背景浓度并对生物造成危害的现象——日益受到科学界的关注。在众多土壤污染物中，铜(Cu)和铅(Pb)因其对陆生生物尤其是植物的显著毒性而备受关注。铜是植物必需的微量营养元素，在光合作用的电子传递链和能量流动中发挥关键作用，但过量铜会诱导氧化失衡、减少水分和矿质养分吸收并损害光合过程，从而产生毒性效应。相比之下，铅是植物体内无明确生物学功能的非必需金属，即使在低浓度下也能通过诱导氧化损伤和扰乱多种生理生化途径（包括叶绿素生物合成）来危害植物健康。
尽管多数植物对Cu和Pb的毒性效应敏感，但部分物种已进化出特定的生理生化策略以规避或减轻此类毒性，例如通过根系分泌物限制金属吸收、将金属隔离在细胞壁内、产生植物螯合肽和金属硫蛋白等金属结合肽，以及激活抗氧化防御系统。然而，现有研究主要集中于水稻(*Oryza sativa* L.)和玉米(*Zea mays* L.)等具有商业价值维管植物，对苔藓植物等类群的金属响应研究相对匮乏。苔藓植物作为以单倍体配子体为主导世代的早期陆生植物，具有高效的离子交换能力，能有效从环境中积累金属。部分苔藓物种表现出显著的金属耐受性，甚至专性生长于富铅或富铜土壤中。尽管已有研究记录了部分苔藓物种的金属毒害效应及耐受机制，但对新热带区苔藓植物金属响应的生理学认知仍十分有限。巴西拥有丰富的苔藓多样性，同时面临日益严重的Cu和Pb土壤污染，为探究新热带环境下苔藓植物的金属耐受机制提供了宝贵但尚未充分开发的场域。
基于此，该研究旨在比较两种巴西苔藓物种——*Campylopus savannarum* (Dicranaceae科)和*Polytrichum juniperinum* (Polytrichaceae科)——对不同Cu和Pb处理的响应。研究人员假设，这两个物种在进化历史和形态解剖学性状上的差异，特别是栉片结构、光合表面组织以及是否存在分化的韧皮样组织(leptome)，将导致其形成各自独特的生理策略来抵御Cu和Pb的毒害效应。研究预期物种会在长期暴露下差异性地调节生长（最终生物量）、光合性能（光系统II最大量子效率，Fv/Fm）和金属积累量。理解新热带苔藓植物对Cu和Pb的响应，有助于揭示它们对金属效应的生理耐受性，这对于评估它们在受污染环境中的潜在脆弱性以及阐明早期陆生植物金属耐受机制的演化具有重要意义。
**2. 主要技术方法**
该研究采用完全随机设计(2×2×4×48)，涉及两种苔藓物种、两种金属(Cu和Pb)、四个处理浓度及每处理48个重复，共计864株植物。供试土壤为商业来源，实验前进行了化学表征。基于巴西土壤和地下水污染物指导值，分别使用二水合氯化铜(CuCl?·2H?O)和氯化铅(PbCl?)配制Cu和Pb溶液，设定标准值（浓度1）、阈值（浓度2）及阈值两倍和三倍（浓度3和4）共四个处理浓度，同时设置对照组。植物在受控条件下培养240天。实验结束时，以最终生物量作为生长和生理耐受性的指标，使用分析天平称重；利用Mini-PAM荧光仪测定暗适应后的叶绿素荧光Fv/Fm值，评估光合效率；采用原子吸收分光光度法(AAS)，经硝酸-高氯酸消解后测定植物组织中的Cu和Pb浓度。实验样本采集自巴西米纳斯吉拉斯州Serra da Cal?ada自然纪念物的铁质岩石露头，每种物种各采集5份样本（共10份，每份约10 cm2）。数据分析采用广义线性模型(GLM)检验物种和金属浓度对生物量和Fv/Fm的影响，并辅以事后成对比较。
**3. 研究结果**
**3.1 生物量产量**
经过240天培养，大多数*C. savannarum*茎叶在所有处理中保持绿色，表现出生长但分枝有限；而*P. juniperinum*植株无论处理如何均以绿色为主，并投资于产生新的黄化分枝。GLM结果显示，金属浓度对Cu和Pb处理下的生物量均有显著影响，但物种间总体生物量无显著差异，物种与浓度的交互作用亦不显著。成对比较显示，*C. savannarum*在对照处理中的生物量显著高于Cu浓度3以及Pb浓度3和4处理下的水平。相比之下，*P. juniperinum*在任一金属的各浓度间均未表现出显著生物量差异。尽管总体GLM未检测到物种与浓度的交互作用，但事后检验表明，在Cu浓度3处理下，两物种生物量存在差异，*C. savannarum*低于*P. juniperinum*。
**3.2 光合响应**
在240天时，光合效率(Fv/Fm)受金属浓度以及苔藓物种与浓度交互作用的显著影响，而物种本身无显著独立效应。在最高Cu浓度下，两物种的Fv/Fm存在差异，*P. juniperinum*的值更高；但各物种内部Cu浓度间的比较显示均与对照无显著差异，表明Cu暴露对两物种的Fv/Fm基本无影响。相反，Pb暴露在除对照外的所有浓度下均导致两物种间出现更显著的差异，*C. savannarum*的Fv/Fm持续低于*P. juniperinum*。在物种内部比较中，*C. savannarum*在Pb浓度3和4处理下与对照有显著差异。值得注意的是，*P. juniperinum*在Pb浓度2处理下的Fv/Fm显著高于对照，表明其对Pb暴露存在非线性响应。实验前基线Fv/Fm值*C. savannarum*为0.77±0.06，*P. juniperinum*为0.69±0.11；240天后对照组分别降至0.65±0.08和0.67±0.09。
**3.3 金属积累模式**
自然采集和对照组*C. savannarum*样本的Cu浓度较低。处理组Cu积累显著增加，从浓度1的69 mg·kg?1到浓度4的980 mg·kg?1，相当于对照的196倍。*P. juniperinum*呈现类似模式，处理组Cu含量从浓度1的60 mg·kg?1升至浓度4的800 mg·kg?1，为对照的113倍。两物种均表现出明显的剂量依赖性Cu积累，*C. savannarum*的最大值略高于*P. juniperinum*。在Pb积累方面，*P. juniperinum*在同等处理条件下比*C. savannarum*积累更多。*P. juniperinum*的Pb浓度从最低处理的30 mg·kg?1增至最高处理的490 mg·kg?1，为对照（11 mg·kg?1）的44倍。*C. savannarum*的Pb浓度范围为40 mg·kg?1（浓度1）至330 mg·kg?1（浓度4），为对照（14 mg·kg?1）的24倍。Pearson卡方检验在浓度3和4下均高度显著，证实两物种在相同浓度下表现出不同的积累策略：*C. savannarum*积累更多Cu，而*P. juniperinum*积累更多Pb。
**4. 讨论与结论**
**4.1 物种特异性生理策略**
研究揭示了两种苔藓对Cu和Pb暴露的物种特异性响应策略。*C. savannarum*表现出高Cu积累，但生物量和光合效率在较高金属浓度下下降，尤其在Pb处理下，表明金属吸收与生理性能之间存在权衡关系。相反，*P. juniperinum*在积累更多Pb的同时维持稳定的生长和光合功能，提示其具有有效的耐受机制。这些对比鲜明的模式与相关苔藓物种的观察一致，反映了对不同金属条件的适应性。*P. juniperinum*发育良好的栉片增加了有效光合面积并降低了CO?扩散限制，有助于在不利环境条件下维持更高的光系统II稳定性；其存在的中央维管束和水生细胞(hydroid)输导系统可能有利于吸收金属的内部转运或区室化，从而在Cu和Pb升高条件下维持稳定的Fv/Fm和生物量。相比之下，*C. savannarum*栉片较简单且内部输导组织减少，可能光保护能力和内部隔离途径有限，使其更容易受到Pb诱导的光抑制和生长抑制的影响。
**4.2 物种差异化的金属耐受性**
*C. savannarum*对Cu的响应相对温和，与其它*Campylopus*物种（如*C. schmidii*）对Cu敏感性较低的现象一致。然而，Pb暴露导致的Fv/Fm和生物量显著下降表明Pb产生了细胞毒性，可能通过诱导氧化失衡和干扰叶绿素生物合成实现。相反，*P. juniperinum*在所测试的Cu和Pb浓度下维持了相对稳定的生长和光合性能，这与某些*Polytrichum*物种在其它实验条件下的响应不同，但需谨慎对待跨研究比较，因为方法学差异（如土壤接种配子体与液体培养基暴露）可能贡献了观察到的差异。
**4.3 金属积累能力及其对耐受机制的意义**
*C. savannarum*和*P. juniperinum*分别积累高达980 mg·kg?1和800 mg·kg?1的Cu，以及330 mg·kg?1和490 mg·kg?1的Pb，这些值低于苔藓植物公认的超富集阈值(<1,000 mg·kg?1干重)。观察到的金属积累提示两种苔藓可能具有金属解毒和隔离的形态生理能力，可能涉及金属螯合化合物的合成、金属转运途径的调控和抗氧化防御反应的上调。高浓度金属可引发活性氧(ROS)过量产生，导致氧化失衡、脂质过氧化、蛋白质降解和DNA损伤。*P. juniperinum*在Cu和Pb升高下表现出的表观稳定生长和光合效率提示其可能部署了有效的抗氧化防御机制。
**4.4 未来方向**
苔藓植物对有毒金属的响应通常具有物种特异性，耐受性常与细胞壁或液泡隔离以及抗氧化防御激活相关。在许多情况下，这种耐受性反映了遗传适应而非表型可塑性，受污染生境施加的强选择压力有利于耐受性生态型的出现。由于*C. savannarum*和*P. juniperinum*来自未受污染的土壤，其观察到的Cu和Pb耐受性可能反映了组成型形态生理性状，也可能涉及快速的表型可塑性响应或表观遗传调整。
**5. 研究结论**
本研究证明了新热带苔藓植物中存在物种特异的金属耐受生理策略。*Polytrichum juniperinum*在Cu和Pb处理下均有效维持了生长和光合效率，而*Campylopus savannarum*更为敏感，尤其对Pb。对金属积累的描述性观察揭示了对比鲜明的积累模式：*C. savannarum*积累更多Cu，而*P. juniperinum*积累更多Pb。这些发现凸显了它们的生态相关性及在生态修复中的潜在应用价值。未来研究应关注金属在组织内的分配规律以及其背后的分子耐受机制。
