（植物学专业论文）水生植物对hg2、cu2、ni2胁迫的反应机理研究.pdf

摘要 中文摘要 重金属是全球环境最重要的污染物之一，毒性强，难缓解，不仅能通过活 性氧和矿质营养胁迫等的中介作用，导致植物氧化伤害、代谢紊乱、乃至死亡， 并且能通过食物链危害人类身体健康。因此，研究植物重金属伤害及其抗性机理， 已经成为有关环境和人类健康的重要问题。本文以分布广泛的沉水植物菹草 和竹叶眼子菜、浮水植物水鳖和槐叶苹为研究对象，以植物非必需金属元素 - h 矿、兼具营养及毒性的金属元素q 1 2 + 、植物必需金属元素_ n i 2 + 为 胁迫因子，将水生植物培养在人工模拟的分别含有这三种典型重金属的污水中， 系统研究了重金属对高等水生植物逆境胁迫的耐受机理。研究结果表明： ( 1 ) 不同h 矿+ 浓度( o 、1 、3 、5 、7m g l - 1 ) 胁迫下，菹草叶片内叶绿素 含量和可溶性蛋白含量逐渐下降，丙二醛( m d a ) 含量和游离脯氨酸( p r o ) 含量逐渐上升，谷胱甘肽( g s h ) 含量则先升后降。s d s - p a g e 蛋白电泳图的条 带随h 9 2 + 浓度增加而逐渐减少，亮度也随之减弱，并且在5m g l 1 和7m g l 。 h 孑+ 时导致了分子量为8 3 6 0 0 和5 1 3 0 0 多肽明显丢失，导致了h 9 2 + 在菹草叶细 胞中大量积累，促进对c a ”、f e 3 + 、m 孑+ 、z n 2 + 的吸收，降低对大量元素p 、 k 十的吸收。h 矿+ 处理打破了细胞中各营养元素固有的平衡。h 9 2 + 对菹草的致死 浓度范围应在l 3m g l - 1 。 ( 2 ) 不同c u 2 + g e 度( o 、2 、4 、6 、8m g l 1 ) 胁迫下，c u 2 + 对水鳖的矿质营 养吸收产生了影响，主要是促进对c a 2 + 、f e 3 + 、m 9 2 + 、z n 2 + 的吸收，降低对m n 2 + 、 p 、k + 的吸收；超氧化物歧化酶( s o d ) 的活性呈下降趋势，过氧化物酶( p o d ) 的活性呈上升趋势，过氧化氢酶( c a t ) 活性仅略有上升。同工酶酶谱分析显 示，随着c u 2 + 浓度的增加，s o d 谱带数和表达量均减少。p o d 谱带数由少逐渐 增多，由4 带增加到7 带，表达量也呈现上升趋势。c a t 酶谱带数无明显变化， 表达量略存在差异。c u 2 + 对水鳖的致死浓度范围在2 - 4m g l 1 。 ( 3 ) 不同c u 2 + 浓度( o 、2 、4 、6 、8m g l 1 ) 胁迫下，竹叶眼子菜的总叶 绿素、类胡萝卜素和可溶性蛋白含量逐渐下降；s o d 、p o d 变化呈逐渐下降， 而c a t 则呈先升后降趋势。0 2 。产生速率、h 2 0 2 、m d a 和可溶性糖含量均呈 国家自然科学基金项目( 3 0 3 7 0 0 8 3 ，3 0 6 7 0 1 2 1 ) 、教育部高等学校博士点专项科研基金 项目( 2 0 0 5 0 3 1 9 0 0 5 ) 、江苏省教育厅自然科学基金项目( 0 5 k j b l 8 0 0 6 7 ) 共同资助。 摘要 上升趋势。s d s p a g e 蛋白电泳图显示，胁迫导致了分子量为6 0 9 0 0 、1 8 8 0 0 、 1 5 7 0 0 、2 2 3 0 0 和3 0 0 0 0 多肽的表达量减少或消失。c u ? 对叶片细胞器的超微结 构也造成严重损伤，特别是叶绿体，线粒体和细胞核。c u ：+ 对竹叶眼子菜的致 死浓度范围在2 - 4m g l 一。 ( 4 ) 不同n i 2 + 浓度( 0 、5 、1 0 、1 5 、2 0m g l 1 ) 胁迫下，n i 2 + 对槐叶苹叶 片的矿质营养元素吸收的影响，主要是促进对c a 2 + 、n a + 、z n 2 + 、f e 3 + 、m 矿+ 的 吸收，降低对m n 2 + 、m 0 2 + 、p 、c 的吸收；叶绿素，类胡萝卜素，可溶性蛋白 和可溶性糖含量以及s o d ，c a t 活性逐渐下降。p o d 、0 2 。、h 2 0 5 和m d a 含 量逐渐上升。s d s p a g e 蛋白电泳图显示，胁迫导致了相对分子质量小于1 7 2 0 0 的多肽增加，诱导了9 4 0 0 0 多肽的出现和3 5 0 0 0 多肽蛋白条带表达量加强。 综上所述，重金属对水生植物的胁迫是非常复杂的，其胁迫效应与金属种 类有关，也与金属离子的浓度有关。同时，重金属对水生植物的胁迫并不是破 坏某一种酶或某一种物质的含量，而是对水生植物整个的生理生化反应和细胞 结构造成整体伤害。 关键词：水生植物；h 矿+ ；c u 2 + ；n i 2 + ；胁迫 摘要 p h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m so fa q u a t i cp l a n t si n r e s p o n s et oh 9 2 + ，c u 2 + a n dn i 2 + s t r e s s a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , f o u ra q u a ep l a n t s 晰t hd i f f e r e n te c o t y p e s ( p o t a m o g e t o n c r i a p u sl a n dp o t a m o g e t o nm a l a i a n u sm i q ，s u b m e r g e dp l a n t ；h y d r o c h a r i sd u b i a a n ds a l v m i an a t a n $ ，f l o a t i n gp l a n t ) w e r ec h o s e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s h 矿， c u 2 + a n dn i 2 + w e r es e l e c t e d 嬲t h es t r e s sf a c t o r s ：t h ef o m e ri s 龇u n e s s e n t i a l e l e m e n t ，t h em i d d l ei su n e s s e n t i a la n de s s e n t i a lm i c r o e l e m e n t ，w h i l et h el a t t e ri sa n e s s e n t i a lm i c r o e l e m e n to fa q u a t i cp l a n t s t h e s ep l a n t sw e r ec u l t i v a t e di ns o l u t i o n c o n t a i n i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fh 9 2 + ，c u 2 + a n dn i 2 + u n d e rl a bc o n d i t i o n t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh 9 2 + ，c u 2 + a n dn i 2 + s t r e s sa sw e l la st h em e c h i s m sf o rt h e p r o t e c t i o no fa q u a t i cp l a n t sw e r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t sa r e a sf o l l o w ： ( 1 ) t h et o x i ce f f e c to fv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n so fh 9 2 + ( 0 ，i ，3 ，5 ，7m g l 1 ) 0 1 1 m i n e r a ln u t r i e n t ，c h l o r o p h y l lc o n t e n t ，s o l u b l ep r o t e i n ，m d ac o n t e n t ，f r e ep r o l i n e c o n t e n t 、g s hc o n t e n ta n dt h eu l t r a s t r u c t u r ec h a n g e si nl e a fc e l l so fp o t a m o g e t o n c r i s p u sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n ta n ds o l u b l e p r o t e i nc o n t e n td e c r e a s e d ，m d ac o n t e n ta n df r e ep r o l i n ec o n t e n ti n c r e a s e d ，g s h c o n t e n tf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ，w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fr i 9 2 + t h em i n e r a ln u t r i e n ta b s o r p t i o nw a sa l s oa f f e c t e db yh g z + s t r e s s ，i ti n c r e a s e dt h e a b s o r p t i o no fc a 2 + 、f e 3 + 、m 矿、z n 2 + , b u tr e d u c e dt h a to fpa n dk + i n5m g l da n d 7m g l lh 9 2 + - t r e a t e df r o n d s ：t h ed i s a p p e a r a n c eo ft w op o l y p e p t i d e sw i t ha p p a r e n t m o l e c u l a rw e i g h t s8 3 6 0 0a n d4 7 8 0 0 t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yo b s e r v a t i o n i n d i c a t e st h a tt h eh i g h e rt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni s ，t h em o r et h ed a m a g e st ot h e l e a fc e l l ss e r i o u s ，s u c ha st h et h y l a k o i d so fc h l o r o p l a s ts w e l l e d ，c h l o r o p l a s t d i s i n t e g r a t e d t h ec o n c l u s i o nc o u l db er e a c h e dt h a tt h ed e a t ho fp l a n tw a sr e s u l t e d f r o md e s t r u c t i o no fs t r u c t u r ef o u n d a t i o no fp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n , u n b a l a n c eo fi o n e q u i l i b r i u ma n dd i s o r d e ro fp h y s i o l o g i c a lm e t a b o l i s m t h el e t h a l c o n c e n t r a t i o n s c o p es h o u l di nl 3m g 。l 1 ( 2 ) h y d r o c h a r i sd u b i ap l a n t se x p o s e dt o0 ，2 ，4 ，6 ，8m g l 1c u 2 + f o r7 dw e r e a n a l y z e dw i t hr e f e r e n c et oi t st o x i ci m p a c to l lm i n e r a ln u t r i t i o na d s o r p t i o n ，a c t i v e o x y g e ng e n e r a t i o n ，p r o t e c t i v ee n z y m ea c t i v i t i e sa n dt h e i ri s o z y m ee x p r e s s i o nu n d e r i i i 摘要 l a bc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em i n e r a ln u t r i e n ta b s o r p t i o n w a sa f f e c t e d b yc u 2 + s t r e s s ，i ti n c r e a s e d t h ea b s o r p t i o no f c a 2 + 、f e 3 + 、m ：9 2 + a n dz n 2 + ，a n dr e d u c e d t h a to fm n 2 + 、pa n dk + ，w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fc u 2 + t h ea m o u n ta n d i n t e n s i t yo fp r o t e i n p e p t i d e b a n dd e c r e a s e d g r a d u a l l yw i t ha u g m e n t o fc u c o n c e n t r a t i o nw a so b s e r v e di ns d s p a g e ，r e s p e c t i v e l y , a n dm a n yp o l y p e p t i d e s d i s a p p e a r e ds i g n i f i c a n t l yi nf r o n d st r e a t e dw i t hc u z 十s t r e s s g ra c t i v i t ya n dh 2 0 2 c o n t e n tc h a n g et e n d e n c ya s s u m et h es i n g l ep e a kc u r v e ，w h e nc u 2 十c o n c e n t r a t i o nt o6 m g l ，t h e i rd a t u mu pt om a x i m i z e ，r e s p e c t i v e l yb e a e r2 5 1t i m e sa n d3 7 4t i m e s t h a nt h ec o n t r 0 1 0 2c o n t e n ta n dm d ac o n t e n tc h a n g ea s s h i t i ef i r s ts l o w , a n dt h e n f a s tt r e n do fe s c a l a t i o n ，w h e nc u 2 + c o n c e n t r a t i o nt o8m g l ，t h e i rd a t u mr e a c ht h e c r e s t ，c o m p a r i n g3 4 2 3 a n d3 3 4 2 t ot h ec o n t r o l ；s o da c t i v i t ya s s u m e st h ed r o p t e n d e n c y ，p o da c t i v i t ya s s u i n e st h et r e n do fe s c a l a t i o n , c a ta c t i v i t yo n l ys l i g h t l y h a sr i s e n e i ri s o e n z y m i cs p e c t r u ma n a l y s i sd e m o n s t r a t i o n ，a l o n gw i t hc 矿 c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，t h es o di s o e n z y m i cb a n dn u m b e ra n dt h ee x p r e s s i o n q u a n t i t yr e d u c e s t h ec a ti s o e n z y m i cb a n dn u m b e rn o to b v i o u s l yc h a n g e ，t h e e x p r e s s i o nq u a n t i t ys l i g h t l yh a st h ed i f f e r e n c e t h ec o n c l u s i o nc o u l db er e a c h e d t h a t t h ed e a t ho fp l a n tw a sr e s u l t e df r o md e s t r u c t i o no fs t r u c t u r ef o u n d a t i o no f p h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n ，u n b a l a n c eo fi o ne q u i l i b r i u ma n dd i s o r d e ro fp h y s i o l o g i c a l m e t a b o l i s m t h el e t h a lc o n c e n t r a t i o ns c o p es h o u l di n6 - - 8m g l 一 ( 3 ) m t o x i ce f f e c to fv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n so fc u 2 + ( 0 ，2 ，4 ，6 ，8m g u 1 ) w a s s t u d i e do nc h l o r o p h y l lc o n t e n t ，s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t ，p r o t e c t i v ee n z y m ea c t i v i t i e s ， a c t i v e o x y g e ng e n e r a t i o na n du l t r a s t r u c t u r ec h a n g e s i nl e a fo fp o t a m o g e t o n m a l a i a n u sm i q t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc h l o r o p h y l l ，c a r o t e n o i da n ds o l u b l ep r o t e i n c o n t e n td e c r e a s e d ，w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fc 矿s o da n dp o d a c t i v i t i e sg e n e r a l l yd e c r e a s e d ，c a ta c t i v i t yf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ，0 2 ， h 2 0 2 ，m d aa n ds o l u b l es u g a rc o n t e n ta l w a y si n c r e a s e d ，b u tt h ed a t ao f0 2w a s d o w nal i t t l ea tc u 2 + 8m g l c o n c e n t r a t i o n i nt h ep i c t u r eo fs d s - p a g e ，t r e a t i n g w i t hc u + c o n c e n t r a t i o n , i ti n d u c e dt h ed i s a p p e a r a n c eo re x p r e s s i o na m o u n td e c r e a s e o ff o u rp o l y p e p t i d e sw i t ha p p a r e n tm o l e c u l a rw e i g h t s6 0 9 0 0 ，18 8 0 0 ，15 7 0 0 ，2 2 3 0 0 a n d3 0 0 0 0 t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yo b s e r v a t i o ni n d i c a t e st h a tt h eh i g h e r c u 2 + c o n c e n t r a t i o n ，t h em o r e s e r i o u sd a m a g e st ot h el e a fc e l l s ，e s p e c i a l l y c h l o r o p l a s t ，m i t o c h o n d r i aa n dn u c l e u s 。t h el e t h a lc o n c e n t r a t i o ns c o p es h o u l db ei n i v 摘要 2 - - 4m g l 1 ( 4 ) s a l v i n i an a t a n sp l a n t se x p o s e dt o0 ，5 ，10 ，15 ，2 0m g l 。1n i 2 + f o r1 0 dw e r e a n a l y z e dw i t hr e f e r e n c et o i t ss t r e s si m p a c to nm i n e r a ln u t r i t i o na d s o r p t i o n , c h l o r o p h y l lc o n t e n t ，s o l u b l ep r o t e i n , p r o t e c t i v ee n z y m e ss y s t e m ，r e a c t i v eo x y g e n s p e c i e sl e v e l s ，a n ds u b m i c r o s c o p i cs t n l c t u r eu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h er e s u l t s r e v e a l e dt h a t ，w i mt h er i s eo fn i 2 + c o n c e n t r a t i o ni nc u l t u r em e d i u m ，t h ea d d i t i o no f n i ”a f f e c t e dt h ea b s o r p t i o no fm i n e r a ln u t r i e n t s ，i tm a i n l yi n c r e a s e dt h ea b s o r p t i o n o fc a 2 + ，n a + ，z n 2 + ，f e 3 + a n dm 9 2 + ，b u tr e d u c e dt h a to fm n 2 + ，m 0 2 + ，pa n dk + t h e c o n t e n to fc h l o r o p h y l l ，c a r o t e n o i d ，s o l u b l ep r o t e i n ，s o l u b l es u g a r , s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ( s o d ) a n dc a t a l a s e ( c a t ) d e c r e a s e dg r a d u a l l y , w h i l et h a to fp e r o x i d a s e ( p o d ) ，s u p e r o x i d e ( 0 2 ) ，h y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) a n dm o n o d e h y d r o a s c o r b a t e ( m d a ) i n c r e a s e d i nt h e l e a v e so fn i 2 + - t r e a t e df r o n d s ，t h ea m o u n t so ft h r e e p o l y p e p t i d e sw i t ha p p a r e n t m o l e c u l a rw e i g h t s9 4 0 0 0 ，w a sb e c a m ev i s i b l ei n s d s p a g e t h ea m o u n ta n di n t e n s i t yo fp r o t e i n p e p t i d eb a n di n c r e a s e dg r a d u a l l y w i t ha u g m e n to fn i 2 + w a sa l s oo b s e r v e d ，t h ep o l y p e p t i d ew i t ha p p a r e n tm o l e c u l a r w e i g h t3 5 0 0 0a n d 胚轴 茎 叶，并发现经处理的秋茄根c d 2 + 含量均比基质浓 度高，表现出显著富集效应。但在个别植物中叶、茎的重金属的含量接近于根 部，个别元素在叶部的含量甚至更高。这可能与它们的收的途径不同有关，比 如苦草，整个植物都沉没在水中，根、茎、叶都能吸收重金属，所以体内重金 属的分布比较均匀。计汪栋等( 2 0 0 7 ) 用10 h o a g l a n d 水培研究菹草对h 9 2 + 、 水鳖对c u 2 + 、槐叶苹对n i 2 + 的耐受性机理发现，植物体h 9 2 + 、c u s + 、n i 2 + 积累 量均随处理浓度的增加而增加，表现出显著富集效应。 1 2 植物体对矿质元素的吸收 将植物烘干后充分燃烧，植物体中的c 、h 、o 、n 元素会以二氧化碳、水 2 第一章前言与综述 分、分子态氮和氮的氧化物等气体形式散失，而矿质元素以氧化物的形式存在 于灰分中，所以矿质元素元素也叫做灰分元素。 目前，科学家确定的植物必需的矿质元素有1 3 种，其中n 、p 、s 、k + 、 c a 2 + 、m g + 等6 种属于大量元素，f e 3 + 、m n 2 + 、b 、z n 2 + 、c u 2 + 、m 0 2 + 、c i 等7 种属于微量元素。通过对重金属胁迫下水稻( l i ue ta l ，2 0 0 3 ) 、大麦( b o u s s a m a 甜a l ，1 9 9 9 ) 、豌豆( s a n d a l i oe ta l ，2 0 0 1 ) 等的研究发现，重金属毒害植物的 重要机制在于影响植物对大量及微量营养元素的吸收，从而对植物的生长发育 产生不利影响。a l i 等( 2 0 0 2 ) 研究发现，由于c u 2 + 的毒害，玉米的根和茎叶 中大量元素n ，p ，k + 含量都下降，而耐性相对强的芦苇则几乎没有受到影响， 而两种植物的根和茎叶中的f e 3 + 都增加，与c u 2 + 浓度呈极显著线性关系 ( 脚0 1 ) 。过量c u ? 也能导致植物组织内f e 3 + ，n a + ，k + ，c a 2 + 和m 矿含量的 降低( o u z o u n i d o ue ta l ，1 9 9 8 ) 。程旺大等( 2 0 0 5 ) 通过对c d 2 + 胁迫下烟草营养 器官发育和矿物质元素的吸收的研究发现c d 2 + 胁迫显著影响籽粒中一些矿质元 素的含量，按c d 2 + 对籽粒元素含量的效应可将所涉及的8 种元素( k + 、p 、m 9 2 + 、 c a 2 + 、c u 2 + 、f e 3 + 、m n 2 + 和z n 2 + ) 划分为二类，一类呈现为抑制效应，包括k + 、 p 、m 9 2 + 、m n 2 + 和z n 2 + ；另一类呈现为促进效应，包括f e 3 + 、c u ? + 和c a 2 + 。此 研究表明，c d 2 + 对籽粒中一些矿质元素含量影响效应因元素种类不同在籽粒中 的积累量存在差异。徐红宁等( 1 9 9 3 ) 研究了土壤环境中c u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 、 a s ”复合污染对春麦吸收常量营养元素的影响认为：土壤中的重金属对春麦根 部吸收、累积p 、k + 、c a 2 + 、m g + 、f c ”、s 、n a + 等营养元素有重要影响。c d ， 和z n 2 + 具有相似的地球化学和环境特性，当c d 2 + 与z n 2 + 共存于自然环境中时， 它们之间便发生相互作用，且易导致在作物吸收、运转和籽粒中积累的互作( d a s e ta l ，1 9 9 7 ) ，因而介质cd _ 2 十浓度的增加可能干扰z n 2 + 的吸收。一些研究报道 c d 2 + 与z n 2 + 存在拮抗作用，如棉花( r o o te ta l ，1 9 7 5 ) 、马铃薯( m a h l e re ta l ， 1 9 8 2 ) 及大麦( a r c h a m b a u l te ta l ，2 0 0 1 ) 上的研究结果。然而，也有一些研究 报道c d 2 + 与z n 2 + 存在协同作用，如s m i l d e 等( 1 9 9 2 ) 的研究。c d 2 + 与z n 2 + 的互 作可能因不同植物种类或同一物种不同基因类型或不同的生活环境而有所不 同。马文涛等( 2 0 0 3 ) 以红橘( c i t r u st a n g e r i n ah o r t ) 、甜橙( c i t r u ss i n e n s i s o s b e c k ) 、柚( c i t r u sg r a n d i so s b e e k ) 实生苗为材料，采用模拟降雨控水长期干 旱胁迫的方法发现，干旱胁迫降低了实生甜橙、红橘和柚的叶片中n 、p 、k - 、 c a 2 + 、m ：9 2 + 、f e ”、c u 、b 元素的含量，增加了叶中m n 2 + 元素的含量。 3 第一章前言与综述 2 重金属对植物生长、形态结构和细胞结构的研究 2 1 重金属对植物生长、形态结构的影响 重金属对植物生长发育的毒害首先表现在对种子萌发的抑制上。玉米、旱 萝卜的发芽率随c d 2 + 浓度的增加而明显下降，而西葫和沙窝青萝卜反应迟钝， 但对这4 种作物的胚根伸长的抑制效应均十分明显( o u z o u n i d o ue ta l ，1 9 9 8 ) 。 种子萌发，根伸长，胚轴和胚芽鞘的生长都是快速、简便、易行的量化金属对 植物抑制效应的方法( m u n z u r o g l ue ta l ，2 0 0 2 ) ，尽管h 矿，c d 2 + ，c u 2 + ，p b 2 + 和z n 2 + 对小麦和黄瓜产生抑制作用的有效浓度不同，但两植物的种子萌发率和 根、胚轴或胚芽鞘的生长都随浓度增大而降低。其中，h 9 2 + 毒性最强，1 5m m 浓度完全抑制黄瓜的种子萌发，对小麦的为1 7m m ，而其他5 种金属即使更高 浓度( 8 0m m ) 也没有产生相同抑制效果，虽然h 9 2 + 对黄瓜种子萌发的抑制大 于小麦的，但其他金属都对小麦种子萌发抑制更大，与对照相比，除了某些例 外，所有金属都使两种植物的种子萌发率的降低达到显著水平( 脚0 1 或 p o 0 5 ) 。h 9 2 + 除了抑制种子萌发、发育还降低了叶绿素含量，延缓了根的伸长， 降低了幼苗根的于重和茎中可溶性蛋白含量( 张义贤，1 9 9 7 ) 。高浓度的n g + 处理还抑制了p h a s e o l u sa u r e u s 萌发期种子胚轴的伸长，总氮从子叶向幼苗的动 员和蛋白酶的活性。随h 矿+ 的增加，幼苗呼吸速率下降，胚中总氮，总糖，d n a 和r n a 水平降低( i q b a le ta l ，1 9 9 1 ) 。 2 2 重金属对细胞结构的影响 结构是功能的基础，在重金属胁迫下植物细胞超微结构发生一系列改变， 这是植物生理活动异常的细胞学基础。当植物遭受重金属胁迫时，植物与重金 属接触的界面首先受到影响，并且这种影响随着胁迫时间的延长和胁迫浓度的 提高，其伤害程度逐渐加重。例如，s h a h 等( 2 0 0 1 ) 利用不同浓度的c d 2 + 处理 水稻幼苗，其叶片m d a 含量和重金属的积累量随c ( 1 2 + 浓度的升高和处理时间 的延长而逐渐增大。这说明了在重金属胁迫下，植物叶片细胞质膜的组成和完 整性遭到破坏。从而导致重金属进入细胞，引起细胞内的其它细胞器结构异常。 施国新( 2 0 0 0 ) 等研究发现，在c d 2 + 、h 矿+ 不同梯度浓度的污水中培养的黑藻， 其叶细胞遭受毒害的初期，高尔基体消失，内质网膨胀后解体，叶绿体中的类 囊体和线粒体中的脊突膨胀或呈囊泡状，核中染色体凝集；随着毒害程度的加 重，核糖体消失，染色体呈凝胶状态，核仁消失，核膜破裂，叶绿体和线粒体 4 第一章前言与综述 解体，质壁分离使胞间连丝拉断，细胞壁部分区域的壁物质松散游离。c u 2 + 、 n i 2 + 对苏格兰松树苗( k u k k o l ae t a l ，2 0 0 0 ) 及c d 2 + 对水花生( 周红卫等，2 0 0 3 ) 和菹草( 徐勤松等，2 0 0 3 ) 的超微结构的影响也表现出类似的效果。 3 重金属对植物生理生化代谢的影响研究 3 1 重金属对植物抗氧化系统的影响 植物必须依赖氧才能获得能量、维持生存，然而氧对植物又可能产生毒害 作用。一般把植物体内直接或间接同氧转化而成的氧的某些代谢产物及其衍生 物的含氧物质统称为活性氧，其中包括两种自由基( 超氧化物自由基，0 2 ：羟 自由基，o h ) 、过氧化氢( h 2 0 2 ) 、脂类过氧化物( r o o ) 、单线态氧( 1 0 2 ) 等，它们都含有氧且有着比氧更为活泼的化学反应性。植物活性氧主要来源于 线粒体、叶绿体和一些酶促反应。在植物线粒体呼吸链电子传递过程中，部分 电子泄漏生成0 2 ，叶绿体p s i 在能量过剩时产生0 2 ，激发态的叶绿素可以 生成1 0 2 ，细胞中的n a d ( p ) h 氧化酶、黄嘌呤氧化酶、过氧化物酶、乙醇酸 氧化酶和脂氧合酶等也参与形成活性氧。在正常情况下，植物体内活性氧的产 生和清除处于状态平衡状态，活性氧浓度极低，不但对植物体没有伤害，而且 具有独特的生理作用。当活性氧超过正常水平时，即对细胞构成氧化胁迫。植 物体内多余的活性氧主要通过有关的酶类主要有超氧化物歧化酶( s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ，s o d ) 、过氧化物酶( p e r o x i d a s e ，p o d ) 、过氧化氢酶( c a t a l a s e ， c a t ) 和抗坏血酸氧化酶( a s c o r b i ca c i dp e r o x i d e ，a s a p o d ) ，植物活性氧清除 剂主要有类胡萝卜素、抗坏血酸等。 与其它形式的胁迫相似，重金属污染也能导致植物体内产生大量的活性氧 ( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s l ) ，引起叶绿素减少，蛋白质含量降低，植物生 长受阻，从而使植物产生毒害现象( 王学等，2 0 0 4 ) 。在细胞代谢过程中，光呼 吸、脂肪酸氧化和衰老过程中都能产生r o s 。正常情况下，植物细胞内活性氧 的产生和清除是平衡的。但是，当植物体遭受外来生物和非生物胁迫( 如病原 菌入侵、盐胁迫、酸胁迫、水分胁迫等) 时，活性氧代谢失调、自由基积累( n e i l l ， 2 0 0 2 ) ，并进一步导致细胞膜结构损伤、生理代谢紊乱。机体内同时存在着两 种主要的抗氧化系统，两者分别是以超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶 ( p o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、谷胱甘肽过氧化物酶( g s h p x ) 和抗坏血酸 过氧化物酶( a p x ) 等为主的抗氧化酶系统或以谷胱甘肽( g s h ) 、抗坏血酸 ( a s a ) 等小分子物质为主的非酶系统。它们能在一定范围内及时清除过多的 5 第一章前言与综述 活性氧，以维持机体内自由基代谢的动态平衡。s o d 能以0 2 为基质进行歧化 反应：2 0 2 + 2 矿_ h 2 0 2 + 0 2 ，从而起到清除植物体内0 2 。的作用，c a t 和p o d 则能够有效地清除h 2 0 2 和其它的氧自由基( 王学等，2 0 0 3 ) 。由于叶绿体中缺 少过氧化氢酶( c a t ) ，因此在叶绿体中h 2 0 2 清除主要依赖于抗坏血酸的a p x 及相应的抗坏血酸一谷胱甘肽( a s a g s h ) 循环系统完成( s c a n d a l i o s 等，1 9 9 7 ) 通常情况下，对寿命较长的0 2 和h 2 0 2 的清除，主要由s o d 、c a t 、p o d 及 a s a - g s h 循环参与反应。而对于o h 和1 0 2 等寿命短的r o s 主要由低分子化合 物发挥作用，如抗坏血酸、维生素e 、胡萝卜素、黄酮类以及某些未知的物质。 活性氧代谢失调是植物在各种逆境胁迫下遭受伤害的共同机理之一在逆 境胁迫条件下，植物活性氧累积过多活性氧代谢平衡被破坏，导致膜脂过氧 化，s o d 和其他保护酶活性下降，同时还产生较多的膜脂过氧化产物，膜的完 整性被破坏。其次，活性氧积累过多，也会使膜脂产生脱脂化作用，磷脂游离， 膜结构破坏。膜系统的破坏会引起一系列和生理生化作用，磷脂游离，膜结构 破坏。膜系统的破坏会引起一系列的生理生化紊乱，再加上活性氧对些生物 功能分子的直接破坏，这样植物就会受到伤害，如果胁迫强度增大，或胁迫时 间延长，植物就有可能死亡。 3 2 重金属对植物光合作用 众多实验证明，重金属胁迫对植物的光合作用都是抑制的，且抑制效应与 胁迫时间及重金属浓度成正相关。叶绿素作为植物进行光合作用的主要色素， 其含量高低及叶绿素a b 比值的大小都能直接反映光合作用能力的强弱。叶绿 素含量降低、叶绿素a b 比值下降是植物遭受重金属毒害的重要特征之一 s t o b a r t 等( 1 9 8 5 ) 认为叶绿素含量降低的原因：一是重金属抑制原叶绿素酸酯 还原酶；二是影响了氨基r - 酮戊酸的合成。而s k 等( 2 0 0 3 ) 则认为成熟叶中 叶绿素含量的降低更主要的由于重金属毒害引起的细胞内膜结构的破坏。此外 重金属胁迫还可损害光合器官，特别是捕光色素蛋白复合体i i 。m i l e s ( 1 9 7 2 ) 以番茄为材料，用c d 2 + 处理离体叶绿体，测定了光合电子传递活性、h i l l 反应 活性以及叶绿素a 荧光，发现p si i 的活性受到c d 2 + 的严重影响而p si 不受影 响，并认为c d 2 + 可能改变了p s 反应中心、c h l a 及其蛋白复合体的状态和结构。 陈国祥等( 1 9 9 9 ) 则发现h 孑+ 、c d 2 + 过量在显著地降低莼菜叶片叶绿素含量及 叶绿素a b 比值的同时，也使遭受重金属毒害的莼菜越冬芽的光合膜室温吸收 光谱、荧光发射光谱，光电子传递活性呈下降趋势，光合膜多肽组分降解。由 6 第一章前言与综述 此可见，重金属对植物光合膜的作用位点并不只集中于p si i ，而是对整个光合 膜均有影响。这与重金属处理离体叶绿体所获得的结论有所不同( w e i g e le ta l ， 1 9 8 5 ) 。就植物叶片本身的生理状态而言，气孔导度( g s ) 、蒸腾速率( t r ) 、 气孔限制值( l s ) 等都是限制光合作用的因素。张杰等( 2 0 0 5 ) 研究发现随c d ， 水平的提高水稻幼苗净光合速率( p n ) 、气孔导度、蒸腾速率、气孔限制值逐步 下降，光合作用显著地受到抑制。在c d 2 + 胁迫下汕优6 3 ( c d 2 + 敏感) 的上述各 项指标的下降幅度均显著大于武育粳3 号( 较耐c d 2 + ) ，由此可见水稻对c d 2 + 胁迫的响应存在明显的基因型差异。j