基于空间分辨分析的超积累植物美洲商陆（*Phytolacca americana*）重稀土元素选择性积累机制研究

《Industrial Crops and Products》：Selective accumulation of heavy rare earth elements in the hyperaccumulator Phytolacca americana: First evidence from spatially resolved analysis

　　

稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）包括镧系元素（lanthanide series，La至Lu）和钇（yttrium, Y），通常分为轻稀土（Light REEs, LREEs，La至Eu）和重稀土（Heavy REEs, HREEs，Gd至Lu及Y）。这些元素对低碳技术发展不可或缺，但因需求快速增长和地缘政治紧张而面临严重供应风险。植物采矿（Phytomining）利用超积累植物从低浓度REE土壤或废弃物中提取并富集REE至可收获生物量，从而实现资源回收和污染土壤净化。过去几十年，该植物技术已在天然金属土壤、矿山废物和污染土壤中测试回收镍、钴、硒、锌和REE等工业关键金属；然而，迄今仅镍实现了大规模商业应用。对REE而言，超积累阈值被定义为地上部生物量中含量超过0.1%（重量百分比），比普通植物高2–3个数量级。REE植物采矿面临的一个主要挑战是，这些植物物种往往同时积累所有REE，使后续分离和纯化过程高度复杂。此外，生物量中主要积累的REE通常是镧（La）、铈（Ce）和钇（Y）——这些元素市场价值相对较低。相比之下，钆（Gd）和镱（Yb）等高价值REE在经济上至关重要且天然稀缺，通常占植物生物量中REE总量的不到20%。这种独特的累积模式对潜在REE植物采矿作业的经济可行性构成重大挑战。超积累植物对LREE或HREE的选择性积累为调控植物采矿中目标REE的积累提供了科学依据。美洲商陆（*Phytolacca americana*）是一种生长快速、繁殖效率高的多年生草本植物，并且是已知唯一在茎叶中优先积累HREE的超积累植物。该物种中REE从土壤到地上的转移涉及三个关键步骤：根吸收、木质部转运和地上部固存。水培实验显示，*P. americana*在吸收过程中的REE分馏较小，植物LREE/HREE比与生长介质非常相似；相反，从根到叶的转运表现出强烈分馏，比例显著降低，表明HREE被高效转运至地上部。值得注意的是，木质部汁液含有高浓度柠檬酸盐，可能促进HREE优先转运；然而，由于木质部流动主要是由蒸腾驱动的被动过程，木质部界面上的装载和卸载被认为是限速步骤，但仍缺乏直接实验证据。因此，*P. americana*中LREE和HREE差异性积累的机制仍不明确，制约了该物种在植物采矿中的优化应用。在本研究中，研究人员将原位标准化方法与顺序化学分馏相结合，绘制叶片组织内各REE的分布图，重点研究维管组织（负责转运）和叶片组织（负责区隔化）的对比响应，旨在为*P. americana*叶片中HREE优先富集建立机制基础，并通过这一方法框架识别相关的分子调控因子。

**研究背景与科学问题**
稀土元素（REEs）对低碳技术至关重要，但供应风险严峻。植物采矿（Phytomining）利用超积累植物从低浓度基质中提取REEs，目前仅镍实现商业应用。REEs超积累阈值定义为地上部生物量干重>0.1%，但现有超积累植物通常同时积累所有REEs，且以低价值镧（La）、铈（Ce）、钇（Y）为主，高价值钆（Gd）、镱（Yb）占比不足20%，制约经济性。美洲商陆（*Phytolacca americana*）是已知唯一优先积累重稀土（HREEs）的超积累植物，其REE从根到叶转运存在强烈分馏，但LREEs与HREEs差异化积累机制尚不明确。为此，研究人员开展多尺度分析，以揭示HREEs优先富集的机制基础。

**研究技术方法**
研究人员采用盆栽实验，基质为华南稀土尾矿土壤（低磷、低有机质、高总REEs），添加0.1%（w/w）有机肥；种子表面消毒后水培预培养14天，移栽后生长6周，设4个重复。利用激光剥蚀电感耦合等离子体飞行时间质谱（LA-ICP-TOF-MS）对叶片及叶脉横截面进行多元素成像，样品经液氮速冻、冷冻干燥（?85°C，<0.003 mbar）并制备横截面切片；采用差速离心法将细胞内容物分离为细胞壁结合、液泡（可溶）和细胞器/膜三个操作定义组分；样品经酸消解后以ICP-MS/ICP-OES测定元素浓度，并用标准参考物质（GSS-5土壤、GSV-2植物）进行质量控制。

**主要研究结果**
**3.1 叶片中REEs的整体浓度特征**：生长6周后叶片总REE浓度达274±12.1 mg kg?1，生物富集系数（BF，叶/土）为0.72；LREE为96.6±6.40 mg kg?1（BF=0.37），HREE为178±6.84 mg kg?1（BF=1.51），呈现显著HREE选择性富集。HREE转运系数（叶/根）高于除锰（Mn）外所有分析元素。LREE/HREE比值在土壤、根、茎、叶中分别为2.17、1.97、2.62和0.54，表明根到叶转运发生强分馏。REE转运系数随原子序数递增；Ce相对于La、Pr呈负异常，Y相对于Dy、Ho呈正异常。
**3.2 REEs在叶片中的空间定位**：LA-ICP-TOF-MS元素成像显示，REEs在整个叶片可检出，但LREEs（以La、Nd、Ce为代表）在中脉和边缘更富集，而HREEs（以Gd、Yb、Y为代表）在中脉外区域浓度更高；组内相关性（如La–Nd，r2=0.93）高于组间相关性（La–Yb，r2=0.56）。
**3.3 叶片横截面中REEs的空间分布**：横截面成像显示REEs在上/下表皮、维管束和叶肉细胞中富集，叶脉皮层含量较低；LREEs更集中于维管束，HREEs在叶肉细胞中积累更强。La（LREE代表）与Yb（HREE代表）的散点图可划分两个区域：区域1（维管组织和表皮）回归斜率62.48，区域2（叶肉细胞）斜率3.38，二者相差近20倍，证实LREEs与HREEs在组织水平上存在显著空间分异。
**3.4 REEs的亚细胞分布**：差速离心结果显示REEs主要分布于细胞壁（约60%）和细胞器/膜组分（约30%），可溶部分（液泡）不足10%。HREE在可溶部分中的比例（8.7%）高于LREE（5.6%）；随镧系原子序数增加，可溶部分REE占比从5.5%升至14.5%，液泡部分从64.5%降至56.2%，细胞壁结合部分下降，细胞器/膜部分基本不变。Mn和Al主要存在于可溶部分（>60%），与REE模式明显不同。

**讨论总结**
讨论提出三步机制解释HREE优先富集：LREE因较大离子半径优先被细胞壁果胶羧基吸附固定；HREE与柠檬酸等小分子有机酸形成更稳定络合物，易从叶脉卸载并跨膜运输；HREE–有机酸复合物可能通过质膜Nodulin 26类内在蛋白（NIPs）和液泡膜ABC转运蛋白介导，优先区隔化进入叶肉细胞液泡。与蕨类超积累植物相比，*P. americana*叶肉细胞汁液柠檬酸浓度高数倍，促进HREE从细胞壁解吸并以可溶复合物转运；蕨类细胞壁富硅且有机酸浓度低，导致非选择性细胞壁滞留。该机制与HREE在衰老叶片中可优先再转移而蕨类中难以再转移的现象一致。研究还指出，*P. americana*具有快速生长、高生物量（可达14 t ha?1）等适合植物采矿的特性，但REE浓度和HREE选择性仍不足；低磷生物炭或叶面硅肥等农艺措施可提高土壤REE生物有效性和植物耐受性。

**研究结论**
本研究对*P. americana*中REEs的积累和分馏进行了系统、多尺度分析。结果表明，该物种叶片相对于LREEs选择性积累HREEs，这一过程主要由高效的根到地上部转运、从叶脉向叶片的木质部卸载以及HREEs相对于LREEs的液泡区隔化所驱动。通过LA-ICP-TOF-MS空间分析首次揭示了叶片内的清晰分馏：LREEs优先滞留于维管束，而HREEs更高效地转运并富集于叶肉细胞。这种HREE富集模式及LREE/HREE空间分异可机制性归因于植物内在特性和REEs的不同物理化学行为。随原子序数增加的转运系数和液泡分数，以及REE–小分子有机酸络合物稳定性的增强，强调了这些有机酸在控制*P. americana*中HREE富集模式的潜在作用。此外，HREEs的优先木质部卸载和随后的液泡区隔化表明，可能由HREE–有机酸转运蛋白介导的跨膜转运活动起着关键作用。然而，仍需更直接证据确证特定有机酸和转运蛋白的作用。未来，识别导致LREEs和HREEs差异分配的关键有机配体和转运蛋白，将对开发靶向富集和回收特定REEs的植物采矿生物技术至关重要。