【成像案例】顶端节（节点Ⅰ）在薏仁籽粒Tl积累关键作用的新认知

上海凯来

2024/03/12 14:02

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铊(Tl)是一种亲脂和亲硫元素，通常富集余硫化物和含钾矿物，是13种主要污染金属之一，对哺乳动物的毒性高于镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)和锌(Zn)。中国拥有世界上最大的Tl储量和近3t/年的Tl消费量，主要用于光电池生产。在矿区或工业区周围的土壤中经常观察到高浓度Tl (0.08-231 mg/kg^-1)的出现，水稻、卷心菜、生菜、玉米和辣椒样本采集自这些区域周围的农田，特别是在绿色卷心菜中检测到较高的Tl浓度，范围为120~495 mg/kg^-1。作物中高富集的Tl造成了高Tl污染，从而给人类带来健康风险，并产生慢性Tl中毒。因此，Tl于2022年3月被中国生态环境部认定为农业生产和食品安全领域的新兴污染物。

摘要

在保障食品安全的过程中，许多有毒金属(样物质)在茎中的分布和金属（样物质）向谷物的运输机制已经得到了很好的记录，但对粮食作物中铊（Tl）的积累仍然缺乏了解。作者采用田间调查和温室盆栽试验相结合的方法，并利用凯来谱测试服务（LA-ICP-TOFMS）对节点Ⅰ横断面进行元素可视化和成像，研究了黔南主要粮食作物薏仁的Tl分布和积累特征，以及节点I在限制Tl向种子转运中的作用。相关合作成果发表于环境领域顶尖期刊《Science of The Total Environment》（IF 9.8）上。

首先，作者对薏仁植株不同组织Tl积累浓度进行分析，从图1、表1可以看出，在薏苡米植株中，Tl在节间的含量高于节间，其次是根和籽粒，且Tl从根向茎部的高转运量（TF>1），而从节间向茎上部的低转运量（TF<1）（图1，表1），说明在茎部长距离转运过程中，节间在限制Tl向薏仁种子转运方面发挥了重要作用。

图1 薏仁植株不同组织Tl含量

表1 薏仁植株不同组织间的Tl转运因子

随后，作者利用LA-ICP-TOFMS对节点Ⅰ进行元素成像分析，结果如图2所示。节点Ⅰ有一个复杂但组织良好的血管系统。在这里，我们观察到Tl主要集中在薏仁节点I的弥漫性维管束（DVB）中（图2），这表明Tl在I节点DVBs中的储存是籽粒Tl积累的一个重要过程。禾本科植物节点中金属的运输和储存在很大程度上取决于金属的形态形成。潜在有毒金属对含硫配体的高亲和性使得巯基很可能是金属络合的主要配体。

来自同步辐射X射线荧光光谱(SXRF)和X射线吸收光谱(μ-XANES)的有力证据表明，水稻I节椭圆维管束（EVB）韧皮中约有一半的Cd与含S配体配位。同样，在水稻1节EVB和DVB的韧皮部中也观察到大量的As积累，以及这些组织中As和硫(S)的共定位。

这表明，植物螯合肽（PCs）和谷胱甘肽（GSH）等巯基类化合物可能在水稻第1节镉和砷的转运和储存中起重要作用。在这里，较高的土壤Tl浓度诱导了更多的PCs在薏仁I节点的生物合成和积累（图3），并且在薏仁I节点的DVB中也观察到Tl和S的共定位(图2)。这表明PCs在薏仁I节点的Tl运输和储存中起着重要作用。

然而，节点I横断面检测到的Tl浓度大多<75 ppb（图2）。需要进一步的测量和研究来确定Tl与含巯基肽(如PCs)在节点I中的络合作用，并量化物种形成的贡献，以进一步了解Tl在薏仁籽粒中的积累机制。

图2 利用LA-ICP-TOFMS获得的薏仁结节Ⅰ中²⁴Mg、³⁹K、⁴⁴Ca、¹¹¹Cd、⁷⁵As、²⁰⁵Tl和³⁴S元素分布

图3 薏仁植株结节Ⅰ中GSH和PCs浓度

结论

研究结果表明，在兰木厂铅砷汞矿区薏仁种子样品中，铅是最主要的金属污染物。节点Ⅰ是限制Tl向薏苡米转运的关键组织，Tl浓度较高，转运因子最低。土壤中Tl和S在DVB中的共定位以及高Tl浓度导致的I节点PCs积累增加表明，I节点PCs与DVB中Tl的复合储存是Tl向薏仁籽粒转运的一个重要过程。此外，DVB的面积是限制氮素在薏仁穗和籽粒转运的关键因素。这些结果为了解I节点在薏仁籽粒Tl积累中的关键作用提供了新的认识，并指出了减少籽粒Tl积累以促进食品安全的关键点。

（备注：中文译本仅供参考,以英文原版为准）

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