（植物学专业论文）稀土与重金属及其交互作用对水生植物的影响.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 、 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 乌篮 ! 蝗：量! 兰 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文井向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 蕴王墨 日期： ! 里：! ! ! ! 中殳摘要 稀土与重金属及其交互作用对水生植物的影响 摘要 本文通过模拟不同浓度梯度的重金属c d 、c u 卜、c r 弘、c r 6 + 和z n 2 + 污染环境，利 用生理生化测定、扫描电镜、透射电镜、气相色谱及激光共聚焦等实验手段，研 究了重金属离子列不同生念型的水生植物的毒害作用，并初步探讨了c e 对浮萍 c u 害的缓解效应和l a 、z n 及其交互作用对浮萍活性氧清除系统影响。结果表 明：c d 2 。、c u 2 + 、c r 、c r ”、z n 2 + 均对水生植物的光合作用、保护酶系统、物质代 谢系统、细胞超微结构等有破坏作用。在重金属离子的作用下，叶绿素、可溶性 蛋白含量下降，超氧阴离子产生速率加快，细胞的防御系统被启动，使得植物体 内的活性氧清除系统中的保护酶系统的活性应急性提高，抗氧化物质的含量应急 性增加，这些反应对植物均起到了一定的保护作用。但随着毒害的加重，当超出 细胞的保护限度，将会导致保护酶活性降低，抗氧化物质含量下降，而丙二醛 ( m d a ) 等膜脂过氧化产物大量产生，膜透性增加，使植物体受害加剧。电镜 观察显示，水生植物受重金属毒害后，叶绿体中的类囊体和线粒体中的嵴突膨胀 或呈囊泡状直至解体；细胞核变形，核膜破裂，核质外流，染色质凝集。生理 指标的变化与超微结构的破坏是一致的，且与离子浓度之嵋j 呈现出明显的剂量效 应关系。 同属不同种的浮萍对c u 胁迫的反应有差异：抗氧化酶活性强的浮萍其叶绿 素、可溶性蛋白含量下降幅度和超氧阴离子的产生速率的上升幅度要低于稀脉浮 萍，这进一步验证了活性氧理论。而同种植物的根和叶对重会属的反应也有差异。 虽然根的抗氧化酶活性较叶强，但受到的毒害却重于叶，所以同一植物不同器官 的抗性不能仅以抗氧化酶的强弱为标准，还要考虑不同器官的抗性机制是否有差 异。水生植物对具不同价态的同一重会属离子的反应也有差异，价态及存在形态 的差异决定了对植物的毒性的不同，这也从生理指标上得到具体的反映。 稀土对重金属胁迫有明显的缓解作用，表现在：它能抑制c u 卜、z n 2 + 毒害下浮 萍抗氧化酶活性和抗氧化物质的的降低，提高活性氧清除系统的清除能力，抑制 活性氧的产生，从而减少了膜脂过氧化产物的生成。 稀土本身对植物也有一定的毒害作用，但当一定浓度的镧加入到z n 溶液旱 后，水生植物受到的毒害程度却比任何一种单施时弱。出现这种现象可能与l a 、 第1 页 中文摘要 z n 之间具有交互缓解作用有关。 钙作为植物体内重要的第二信使，在植物体的发育以及对环境的反应和适应 中起着重要的作用。运用焦锑酸钾沉淀法发现，单一c u 处理的慈姑根细胞质中 的c a 2 + 浓度要比复合处理的普遍高，而复合处理组根细胞内的c a 2 + 分布与对照 无显著的差异，只是有较少的细胞中的焦锑酸钙沉淀颗粒比对照多。c e 的加入 可能通过提高c a 2 + a t p a s e 的活性，使胞内c a 2 + 的稳态平衡得以维持，进而使 c a ”与c a m 正常结合而行使信使作用，诱导植物通过提高抗氧化酶的活性 s o d ，p o d 等) 和抗氧化物质( a s a 、g s h 、p r o ) 的含量等一系列的反应以提 高植物的抗性。 关键词：稀土：重金属：交互作用；超微结构：抗氧化系统 第2 页 茎壅塑茎 一 t h ee 舭c to fr a r ee a r t ha n dh e a v y m e t a la sw e l la s t h e i ra l t e r n a t ea c t i o no n a q u a t i c p l a n t s a b s t r a c t b yi m i t a t i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n o f c d 2 。、c u 。、c r 孙、c r 6 + a n dz n 2 + p o l l u t e dw a t e r e n v i r o n m e n t ，w em a i n l y s t u d i e dt h e i rt o x i ce f f e c t so na q u a t i cp i a n t sb ym e a n so f m e a s u r e m e n to fp h y s i o l o g i c a ii n d e x e sa n de 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 a sw e l la s t h er e l i e v i n gt oc u 2 + i n j u r yo fa n t i o x i d a s ee n z y m es y s t e mi nl e m n am i n o rl a n d v a l l i s n e r i aa s i a t i c am i k ii nt h i s p a p e rb yt h r o w i n g c e t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e dt h a tc d 弘、c u 扣、c r 3 + 、c r 针a n dz n 斗m i g h ti n j u r ep h o t o s y n t h e t i cs y s t e m s ， p r o t e c t i v ee n z y m es y s t e m ，s u b s t a n c em e t a b o l i s ms y s t e m sa n dc e l lu l t r a s t r u c t u r e o f t h e p l a n t t h e f o u r s p e c i e s o fi o n sc o u l d i n c r e a s er e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s ( r o s ) c o n t e n t o ft h e p l a n t a t t h es a m et i m e ，t h e p r o t e c t i v es y s t e m s ( a n t i o x i d a n t e n z y m es y s t e mm a i n l y ) r e a c t e d o ni t t h ea c t i v i t i e so f s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ( s o d ) ，p e r o x i d a s e ( p o d ) a n dc a t a l a s e ( c a t ) w e r ei n d u c e di nh i 曲l e v e lt o e l i m i n a t e a n dr e s o l v er o si no r d e rt om a i n t a i ns t a b i l i t yo fm e m b e rs y s t e m ，w i t hm o r es e r i o u s d a m a g e s ，t h ed e f e n s e so fc e l l sc o u l dn o tp r o t e c tc e l l s ，s ot h ea c t i v i t i e so fp r o t e c t i v e e n z y m ed e c r e a s e d ，m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) c o n t e n ti n c r e a s e d ，a n di n t e g r a l i t yo fc e l l m e m b e rw a s d e s t r o y e d t h em o r ei n j u r i e s o ft h e h e a v ym e t a l s t ot h e p l a n t w e r e b r o u g h tu n d e rt h i ss i t u a t i o n u l t r a s m l c t u r a lo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tt h e r ew a s ag r e a t d e a lo fd a m a g eb y c d 2 + p o l l u t i o n ：t h et h y l a k o i d s o fc h l o r o p l a s ta n dc r i s t a eo f m i t o c h o n d r i ab e c a m es w o l l e no rv e s i c u l a t ea n dd i s i n t e g r a t e d f i n a l l y ；t h e n u c l e u s w e r ed i s t o r t e da n dt h en u c l e a rm e m b r a n c ew a s d i s r u p t e d t h e c h r o m a t i nw a s p o l y m e r i z e da n dc o n c e n t r a t e da n d t h en u c l e o l u sw a s d i s p e r s e d t h ec h a n g e so f s o m e b i o c h e m i c a la n d p h y s i o l o g i c a li n d e x e sw e r ei na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s t r o yo f c e l l u l t r a s t r u c t u r ea n da l li n d e x e ss h o w e da ne v i d e n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt l l ed o s ea n d e f f e c t t h e r ew a ss o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nl e m n am i n o rl w h i c hi si nt h es a m e c a t e g o r yb u td i f f e r e n tg e n u st os t r e s sc a u s e db yc u t h em o l es t r o n g e rt h ev a r i e t y a n t i o x i d a n t e n z y m ea c t i o n , t h e m o r el o w e rt h e d e c r e a s i n gd e g r e e o f 第3 页 英文摘要 c h l o r o p h y l l ，s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t a n d 0 2 。g e n e r a t i o nr a t e t h i s a l s ov a l i d a t e d e x a c t i o no fr e a c t i v eo x y g e ns y s t e mt h e o r y a n dt h e r ew a sd i f f e r e n c eb e t w e e nr o o ta n d l e a v ew h i c hi si nt h es a m ec a t e g o r yt o s t r e s sc a u s e db yt h es a l t l eh e a v ym e t a l i o n a l t h o u g ht h ea n t i o x i d a n te n z y m ea c t i o no fr o o tw a sm o r es t r o n g e rt h a nt h a to f l e a f , t h ep o i s o n o u sd e g r e e o fr o o tw a sm o r es e r i o u st h a nt h a to fl e a f s ot h e c o m p a r i s o no f r e s i s t a n c eo fd i f f e r e n to r g a no ft h es a l t i ep l a n td i d n tb ej u d g e do n l yb y a n t i o x i d a n te n z y m ea c t i o n s ot h ed i f f e r e n c eo f t h er e s i s tm e c h a n i s mo f d i f f e r e n to r g a n s h o u l db ec o n s i d e r e d t h ea q u a t i cp l a n t sa l s oh a ds o m ed i f f e r e n tr e a c t i o nt ot h es a w l e h e a v ym e t a lw h i c hi si nd i f f e r e n tv a l e n c ec o n d i t i o n v a l e n c ec o n d i t i o na n de x i s t e n t m o r p h o l o g y i n f l u e n c e dt h ep o i s o nt o p l a n t t h i sw a sa l s o r e f l e c t e df r o ms o m e p h y s i o l o g i c a li n d e x r a r ee a r t hh a so b v i o u s r e l i e v i n ge f f e c tt oh e a v ym e t a ls t r e s s t h a tw a sr e p r e s e n t e d a sf o l l o w s ：i tc o u l d s l o wr e d u c t i o no fa n t i o x i d a n te n z y m ea c t i o na n da n t i o x i d a n t s u b s t a n c ec o n t e n t ，s oi m p r o v i n gr o s s c a v e n g i n ga b i l i t i e sa n dc h a s t e n i n gp r o d u c t i o n o fr o s ，r e d u c i n gm e m b r a n c el i p i d p e r o x i d a t i o ns u b s t a n c e 。a l t h o u g hl ai t s e l fh a d c e r t a i nt o x i ce f f e c tt op l a n t ，t h e t o x i c i t yo fl a + z n t op l a n ti ss m a l l e rt h a nt h a to f a n o t h e rw h e nl aw a st h r e wi n t oz ns o l u t i o n t h i sp h e n o m e n o nm a yb ec o n n e c t e d w i t l lt h e i ra l t e m a t e r e l i e v i n g a c t i o n c a l c i u mp l a y e da l l i m p o r t a n t r o l ei n p l a n t g r o w t ha s w e l la s r e s p o n s ea n d a d a p t a t i o nt oe n v i r o n m e n t c a 2 + c o n c e n t r a t i o ni ns i n g u l a rc ut r e a t m e n tg r o u pw a s u s u a l l yh i g h e rt h a nt h a ti nc o m p o s i t eg r o u pb yu s i n gl o c a l i z a t i o no fc a 2 + a n t i m o n i t e p r e c i p i t a t i o nt e c h n i q u e ，a n dd i s t r i b u t i n go fc a 2 + i nc o m p o s i t eg r o u p h a sn oo b v i o u s d i f f e r e n c ef r o mc o n t r o l g r o u p o n l yh a v i n gh i g hc o n d e n s a t i o ni nm i n o rc e l l s c e m i g h ti m p r o v et h ea c t i v i t yo fc a 2 + a t p a s e ，w h i c hs u s t a i ne q u i l i b r i u mo fc a 2 + a n d c o m b i n ew i t hc a mt oe x e r t m e s s a g e ra c t i o na n dt oi n d u c ep l a n tt o i m p r o v e r e s i s t a n c eb ye n h a n c i n ga n t i o x i d a n te n z y m e a c t i o n ( s o d ，p o de t a l ) a n da n t i o x i d a n t s u b s t a n c ec o n t e n t ( a s a 、g s h 、p r o ) k e yw o r d s ：r a r ee a r t h ；h e a v ym e t a l s ；a l t e r n a t ea c t i o n ；u l t r a s t r u c t u r e ；a n t i o x i d a s e s y s t e m 第4 页 前言 1 前言 在没有人为污染的情况下，水体中重金属的含量取决于水与土壤、岩石的相 互作用，其值一般很低，不会对人体健康造成危害。但随着工农业的发展，“三废” 排放量同益增加并通过各种途径进入环境，目前我国受重金属污染的耕地面积 2 0 0 0 万h m 2 , 每年经济损失至少2 0 0 亿元。同时由于过去人类对水资源的认识和 利用上存在的误区，许多地区进入水系、湖泊、海域的各类污染物质超过其环境 容量和自净能力，导致众多水体被严重污染。各种污染物中，又以重金属污染尤 为严重和突出。虽然许多重金属是生物体必需的微量元素，但过量会对生物体产 生毒害【1 3 1 。 重金属污染常常造成生态破坏和环境质量恶化，并通过食物链给人类健康带 来巨大的危害。重金属不仅可在生物体内积累，还可进入食物链，直接或间接地 对人体及其它生物产生危害。因此，在诸多环境胁迫因素中，重金属污染因其特 殊的性质丽备受关注。植物是食物链中的初级生产者，而重金属易于被其从污染 介质中吸收，成为植物体内代谢较强的胁迫因子。吸收到植物体内的重金属不仅 能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的物质，如某些重金 属胁迫下植物体内产生的过氧化氢、乙烯等类物质对体内代谢和酶活性具有负效 应f 4 】而间接引起植物伤害，而且也能够对其带来直接伤害而导致植物体死亡。 国内外对重金属造成植物生理生化及结构方面的危害都进行了广泛深入地研究， 其主要研究内容可概括以下几个方面： 1 1 重金属毒害机理 1 1 1 重金属对酶活性的影响： 重金属离子( 如c d 2 + 、p b 2 + 和h 9 2 + ) 不仅能与酶活性中心或蛋白质中的巯基结 合形成，而且还能取代金属蛋白中的必需元素( c a 2 + 、m 9 2 + 、z n 2 十2 + 和f e 2 + ) ，导致生 物大分子构象改变、酶活性丧失及必需元素缺乏，干扰细胞的正常代谢过程【5 】o 1 1 2 重金属对细胞分裂的影响： 重金属对植物生长的抑制和毒害作用，主要是抑制细胞的正常分裂活动。重 金属对植物细胞分裂的影响主要表现在以下三个方面： 重金属对细胞分裂周期的影响：重金属在不同浓度下对细胞分裂周期的影响 效果是不同的。较低浓度时，延长细胞分裂时间，缩短分裂间期的时间间隔，使整个 第5 页 分裂周期缩短。低浓度的p b 2 、c d 2 + 处理蚕豆时“，细胞分裂期持续时间均比对照 组长：但随着浓度的升高，分裂时间缩短，分裂闯期时间间隔拉长。 重金属对细胞分裂指数的影响：段昌群、刘东华、赵博生在用c d ”、p b ”和 h 9 2 + 处理蚕豆、蒜、洋葱f 6 胡1 时发现，重金属对细胞分裂的抑制作用均达到了非常 显著的水平。张义贤发现9 1 大麦根尖经h 9 2 - 、c d 2 + 和p b 2 + 处理，在所有浓度范围 内一直表现出对细胞分裂的抑制处理后，细胞有丝分裂指数均不同程度下降。同 时也说明，重金属对根生长的抑制主要是阻碍了细胞向分裂状态转化，使参与分裂 的细胞数目减少，导致有丝分裂指数降低。国外的研究也表 n i ”污染可降低植 物细胞分裂指数，增加染色体畸变率j 。 重金属对染色体形态的影响：有毒物质产生的遗传毒害，直接或间接地影响了 细胞中d n a 和染色体的合成与复制，使染色体发生不同程度的畸变，且随着重金 属浓度的升高，植物细胞的分裂异常比率升高，呈正相关。经c d ”、p b 2 + 和h g ”处 理后的蚕豆、蒜、洋葱，其染色体形态都表现出了不同程度的毒害【6 , 7 , 8 , 1 0 】。葛才林 1 2 1 研究了不同浓度的重金属( c u 2 卞、c d 2 + 和h 9 2 + ) 胁迫对主要作物( 水稻和小 麦) d n a 的损伤效应，发现供试浓度的重金属c u ”、c d 2 + 和h g ”能在不同程度上 导致水稻和小麦d n a 损伤。重金属能引起水稻、小麦叶内d n a 和蛋白质交 联，c d 斗还能使水稻、小麦叶片内d n a 链间发生交联。他还发现重金属胁迫能引 起水稻和小麦d n a 甲基化水平改变，进而造成基因调控紊乱和蛋白质合成受抑 ”，且重金属对水稻和小麦叶片蛋白质合成的抑制与重金属引起的水稻和小麦叶 片中d n a 甲基化水的提高相关。 1 1 3 重金属对植物体营养元素的的影响 重金属的胁迫有时会引起大量营养元素的缺乏。一方面，介质中较高浓度的 重金属能够引起植物对大量营养元素的吸收和转运能力的下降，导致体内缺乏， 进而引起体内它们参与物质和代谢的紊乱，外部呈现相应的缺素症状。d a h i y a 等 ”4 l 的研究表明，土壤较高的镍水平显著地抑制了小麦对氮的吸收；同样，外界 较高的镉浓度也引起玉米植株磷浓度和吸收量的下斛” 。重金属胁迫引起的膜 内酶活性降低抑制了与酶相关矿质元素的吸收，导致植物根系营养吸收能力下 降。另一方面，重金属的胁迫引起植物根膜脂过氧化作用，导致膜透性增加，小 分子物质外泄增加。g u s s a r s s o n 等【1 6 】的研究指出，随铜镉浓度的增加，钾的外 第6 页 前言 流量增加。不同重金属离子具有不同的胁迫效应，用铜和镉处理3 0m i n 的小麦 切根在n a 2 e d t a 存在的情况下，抑制了k + 吸收，而铬、铁、汞处理的小麦切根 则对k + 的吸收无抑制作用【l “。 1 1 4 重金属对植物生理生化及超微结构的影响 到目前为止，有关重金属对这些方面的研究已有大量报道。重金属可引起植 物叶片褪绿【1 8 1 9 1 ，抑制卡尔文循环，破坏光合系统从而导致光合作用效率的降低 2 c 。2 j l ：影晌植物的呼吸作用1 2 2 j 、蒸腾作用及水分吸收2 3 2 4 1 ，导致膜透性改变，膜 脂过氧化加剧 2 5 6 1 ，影响必需物质的吸收和利用口7 1 。影响植物体中各种酶，如 s o d 、p o d 、硝酸还原酶、脱氢酶等的活性2 8 q 们，影响可溶性蛋白、可溶性糖以 及脯氨酸含量 3 卦，导致腐胺的积累【3 4 】。 倪才英【3 5 】等发现重金属对紫云英细胞的超微结构损伤，主要是叶绿体、线粒 体和细胞核的结构遭到破坏。表现为叶绿体变形、球形化，类囊体模糊不清、空 泡化，被膜消和腔内形成大脂类；线粒体变形和脊突膨胀或消失和外膜解体；细胞 核核仁膨胀消失，与染色质凝集在一起，核膜破裂。徐勤松1 3 6 1 认为当细胞器遭到严 重损伤时，可溶性蛋白含量下降，使受破坏的叶绿体被膜、类囊体膜和核膜无法得 到及时修复以行使正常功能，最终将影响植物的光合作用、呼吸作用等的正常进 行，导致细胞生理功能紊乱，甚至使细胞死亡。 1 2 植物对重金属耐性机理 不少种类的植物仍能在高浓度的重金属离子环境中生长，表明在长期的进化 过程中植物亦相应地产生了多种抵抗重金属毒害的防御机制。b a k e r 等人【3 7 i 认 为植物抗重金属的机制有两种基本类型：一种是积累和区域化( a c c u m u l a t i o na n d s e q u e s 订a d o n ) 机制，植物主动吸收大量重金属，并把他储存到地上部分；一种就 是排斥( e x c l u s i o n ) 机制，植物避免吸收过量的重金属。最近几年内，有关植物对 重金属防卫机理的研究报道很多，现将植物对重金属的耐性机制综述如下： 1 2 1 外排作用 姜彬慧f 3 8 研究认为藻类对金属的耐受性的机制可能包括细胞对金属的外排 作用、及各种细胞的内解毒作用。f o s t e r 3 9 】指出小球藻( c h l o r e l l a ) 对金属的耐受 机制是外排作用。小球藻( c h l o r e u a ) 对c u 的外排作用是由于释放有机螯合物。 1 2 2 限制对重金属的吸收 4 0 , 4 1 第7 页 前言 蝇子草属的s i l e n e v u l g a r i s 刊细胞系中，c u 的累积量明显低于敏感细胞系h “。 s c u c u b a l u s 的耐c d 细胞系中，c d 的累积量也明显低于敏感细胞系1 4 副；蝇子草属 的s v u l g a r i s 和s c u c u b a l u 耐性细胞系也主要是通过降低重金属c u 和c d 向细胞 质中运输速率而解毒4 2 , 4 3 , 4 4 】。 1 2 3 把重金属贮存在叶片表皮的表皮毛( t r j c h o m e s ) 中，避免重金属对叶肉细胞 的直接伤害1 4 5 , 4 6 1 重金属c d 超量富集于芥菜( b r a s s i c a j u n c e a l ) ，其叶片表皮毛中的c d 含量比叶 片组织高4 3 倍，其主要的解毒机制之一就是把c d 贮存在叶片的表皮毛中【4 “。这 种植物生长迅速，可大量富集重金属，在净化重金属污染的土壤和水质方面具有很 大的潜力。 1 1 2 4 对进入细胞内的重金属可通过区域化f 如a l 和c d 累积在液泡或细胞壁中) 、 形成沉淀( 如磷酸镉沉淀) 及螯合方式解毒1 4 4 , 4 7 1 螯合是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一，谷胱甘肽( g s h ) 、草酸 ( o x a l i c a c i d ) 、组氨酸( h i s ) 和柠檬酸盐( c i t r a t e ) 等小分子物质及金属螯合蛋白都能螫 合重金属，其中金属螯合蛋白对金属的螯合能力远大于g s h 和c i t r a t e 。金属硫蛋 f 刍( m e t a l l o t h i o n e i n ，m t ) m t 可通过c y s 残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或 低毒络合物，从而消除重金属的毒害作用。植物络合素( p h y t o c b e l a t i n s ，p c ) 广泛存 在于植物界，它不是基因的直接翻译产物，而是以g s h 为底物由 ( p h y t o c h e l a t i n s y n t h a s e 催化而成的金属螯合肽f 4 引。多种重金属( c u h 、c d 2 + 和h 矿+ ) 均可诱导植物p c 的合成【4 9 ，5 0 】，p c 与金属离子螯合后形成无毒的化合物( c d s 4 c o m p l e x ) ，降低了细胞内游离的重金属离子浓度，防止金属敏感酶变性失活，从而能 够减轻重金属对植物的毒害作用 4 8 , 4 9 , 5 0 】。 细胞壁具有很强的积累阳离子的能力，是重金属进入细胞的第一道屏障【5 l 】。细 胞壁的果胶质成分为结合重金属离子提供了大量的离子交换点【5 2 】。n i s b i z o n 0 分析蹄盖蕨属( a t h 蜘u m y o k o s c e n s e ) 的根细胞壁在重金属耐受性中的作用时，发现 该植物吸收的c d 、z n 总量的大约7 0 9 0 位于细胞壁，大部分以离子形式存在 或结合到细胞壁结构物质，如纤维素、木质素上，这样离子被局限于细胞壁避免进 入细胞质影响细胞内的代谢活动，使植物对铜表现出耐性。因此，细胞壁的金属沉 淀作用对植物对重金属的耐受性起一定作用。 第8 页 前占 在细胞水平上，许多证据显示液泡可能是重金属离子贮存的主要场所。 t c a e r u l e s c e n s 表皮细胞中z n 相对含量与细胞长度呈线性正相关，显示表皮细胞的 液泡化促进了z n 的积累 5 4 1 。其地上部含2 z n 时，叶片表皮组织液泡汁液中的 z n 浓度平均可达3 8 5 m m o l l ，是叶肉细胞汁液中z n 浓度的5 到6 5 倍。l a s a t 等呤纠 认为t c a e r u l e s c e n s 能使z n 有效地分布在液泡中，从而使液泡成为z n 向地上部运 输的贮存库。 1 2 5 营养元素对重金属的拮抗作用 h o n g l a n d 全营养液中含c a 、m g 、k 、n a 、m n 、z n ，这些元素均能抑制植物 对c d 的吸收5 “5 9 1 ，因而能减轻c d 对植物的毒害作用这些元素与c d 之间存在拮 抗作用，可能是它们与c d 在根表面有类似的吸收位点有关【6 。一些研究表明，提 高c a 的含量可以减少土壤对c d 的吸附，从而降低c d 对植物的有效性f 6 1 “2 1 ，陈晓 婷 6 3 1 也在研究钙镁磷肥和硅肥对c d 、p b 、z n 污染土壤上小白菜生长和元素吸 收的影响时发现其中所含的c a 2 + 、m 9 2 + 对重金属离子具有拮抗作用，参与竞争植 物根系上的吸收点位【6 0 l ，抑制植物对重金属的吸收。 1 2 6 抗氧化酶系对植物抗重金属胁迫的影响 h a l l i w e l l a s a d a 途径是植物中一个主要的抗氧化系统，它主要由s o d 、a p x ( a 和g r 等组成；g s h 参与细胞膜结构的保护作用也是一种非常重要的抗氧化物质， 污染胁迫能提高这些保护酶活性和g s h 水平，表明它们在清除污染胁迫产生的自 由基和提高植物的抗逆能力有重要作用。植物中的多种抗氧化防卫系统能够清除 自由基，保护细胞免受氧化胁迫的伤害“蛳】，这也是植物忍耐重金属胁迫的主要 机理之一。 总之，重金属对植物造成的伤害是多方面的，而植物对重金属胁迫有多方面的 防卫机制。不同的重金属对植物的伤害机理不同，植物对不同的重金属也有不同 的防卫机制，同一植物中可能涉及多种过程的防卫机制，所以不能用单一的耐性机 理来解释植物对重金属的耐性【6 7 。 1 3 稀土对植物的影响 1 3 1 稀土对植物毒害影响 稀土是低毒物质，f 氐剂量时具有促进生物机体生长作用，而且在一定的范围内， 这种作用表现有剂量效应关系，而高浓度时会造成对生物机体的伤害【删。 第9 页 前言 元英进f 6 9 1 发现逐渐增加稀土元素的有效浓度，高浓度稀土元素对植物细胞弱 毒性开始表现出来，导致红豆杉细胞生物量急剧下浆。稀土的毒性主要是由于稀 土离子与钙离子有相似的半径，在化学性质上极其相似。其形成络合物的能力大 于钙离子在生物体系中常常作为钙的拮抗剂，取代细胞膜赖以稳定的钙离子，并 间接影响钙离子通道和其它的传感器，干扰钙的正常生理机能。特别是细胞膜表 面大量稀土离子的积累，可使细胞膜表面的微结构发生改变造成细胞膜损伤所致 7 0 1 。在花椰菜胞外c a m 的中介下，细胞外的低浓度稀土离子促进花粉萌发及花 粉管伸长，高浓度的稀土离子则明显抑制花粉萌发及花粉管伸长口”。 张金红等【7 2 1 用蚕豆为材料的研究表明：稀土对依赖c a m 的膜c a 2 + 、 m 9 2 + a t p a s e 有抑制作用，且随浓度增加而增加；t a k e d a 等 7 3 】发现高剂量的稀土会 使水生生物的d n a 溶解，严重抑制其自我复制，由于这种水解作用，有可能使盐卤 虫体细胞解体而导致其死亡。他还发现在生理条件下，稀土元素可以切断d n a 分 子上的磷酸键，使d n a 分子水解。 稀土在高浓度下抑制某些酶的活性，是酶的抑制剂。稀土离子能够抑制许多 酶的活性1 7 。比如，腺苷酸环化酶r n a 合成酶、胶原酶、异亮氨酸t r n a 合成酶、 谷氨酸合成酶等。稀土离子抑制酶活性的机理一般有五种，即竞争底物、竞争性 结合活性中心、取代活性中心c a 2 + 、竞争m 9 2 + 及取代m 9 2 + 。 稀土的致毒作用机理研究7 5 1 表明：稀土在高浓度时，会呈重金属离子的特性。 研究烟草发现【7 6 】：l a c l 3 在低于2 0 m g l 时会刺激叶绿素的反应，提升光合作用及 m g ”、a t p a s e 活性等，但高浓度时反而降低此参数，这可能与l a c l 3 通过静电引力 形成稳定的离子配位键络舍物，除去生化反应中的多种物质有关。 1 3 2 稀土对农作物的促进作用 稀土元素可提高种子发芽率，促进幼苗生长；提高植株对营养元素的吸收能力 提高叶绿素的含量；增强光合作用等【7 7 q 。】。最近的研究表明，c e 具有促进植物叶绿 素形成、提高光合作用速率、促进植物根系生长、增强植物细胞内保护酶活性、 降低自由基含量等诸多生物学作用【8 卜8 3 l 。低浓度稀土元素促进种子萌发、生根 及植株生长的生理作用机理目前尚不很清楚，一般认为与酶有关1 8 4 碣5 1 。在稀土对 植物光合作用方面，储钟稀研究发现光下生长的黄瓜植株经c e 处理后p s 叶绿 素蛋白质复合物c p i a 2 及其1 1 0 k d 多肽的相对含量比对照高，而c h l b 和l h c p 的 第1 0 页 前言 含量比对照低。联系到c e 有变价和放能的特性，在弱光下，c e 可能有部分补偿光 能的作用。c e 能延缓二价f e 氧化为三价f e ，并能提高叶片中f e 的含量，而当缺 f e 时p s 的c p i a 2 的形成受阻，f e 能促进c p i a 2 的形成。因此c e 对c p i a 2 形成的 促进作用也可能因为c e 有利于植物对f e 的吸收和利用，从而有利于c p i a 2 的形 成。 1 3 3 稀土对提高植物抗逆性的研究 稀土在植物抗旱中的生理作用：安建平等 8 6 】在小麦抗旱机制的研究中发现， 施用氯化钕改善了小麦幼苗的水分状况，能缓解由渗透胁迫所引起的膜损伤，降 低渗透引起的膜脂过氧化作用，提高小麦幼s o d ，p o d 的活性，降低渗透胁迫引起 的a b a 积累，增强了植物在渗透下对氧自由基的消除能力。邝炎华等8 7 1 用稀土喷 施甘蔗，可以促进甘蔗叶片脯氨酸积累，电导率降低，过氧化物酶，中性氧化酶活性 提高。稀土在植物抵抗低温和高温中的生理作用：郭伯生和王宪泽等【8 8 l 的实验表 明，施用稀土后叶片的电解质外渗率降低，脯氨酸含量增加。由于脯氨酸含量增 加能稳定原生质的胶体性质及组织内的代谢过程。防止和缓解细胞在低温下引起 的蛋白质变性作用，因而可缓解低温对植物的不良影响 89 1 。高温胁迫后，经稀土处 理的叶片和幼苗脯氨酸含量减少。脯氨酸含量降低，表明稀土处理后植物组织内 蛋白质被破坏的程度减轻，水解为脯氨酸的数量较少，从而提高了作物的抗逆性 9 0 。稀土在植物抗病中的生理作用：宁加贲等一1 1 研究表明，黄花菜喷施稀土后，其叶 斑病、叶枯病、锈病的总发病率较对照大幅减少，病情指数降低。因为喷施稀土 的黄花菜，其过氧化物酶活性及酚类物质含量较对照提高，而酚类物质可衍生植保 素，有效地阻止病原菌入侵，起到防病作用。稀土在植物抗盐中的生理作用：王金胜 的实验表明盐胁迫时小麦幼苗活性氧水平升高，其清理系统活性下降，而稀土可提 高小麦的抗盐能力9 2 1 。他认为其原因可能与c e 可降低因盐胁迫而升高的氧自由 基、羟自由基水平，进而降低脂质过氧化作用，保护生物膜和蛋白质，保护了线粒体 的功能【9 3 l 有关。稀土在植物抵抗其他逆境中的生理作用：周青等研究了l a g l y 对 植物酸致损伤的防护作用。结果表明，不同浓度的l a g l y 溶液均可提高大豆幼苗 的光合速率、降低质膜透性和m d a 含量、提高叶绿素含量及c a t 和p o d 活性 及t t c 还原力。刘世名等蚓发现，l a 3 + 能促进提高小球藻的叶绿素a 、叶绿素b 及总叶绿素含量，且随l a 3 + 浓度的提高，此种促进作用越明显，到1 0 m g l l a ( n 0 3 ) 3 第l i 页 前言 时达最大。安黎哲等研究了过量臭氧对小麦生长的影响以及稀土元素的防护效 应。他发现而施用稀土的植株，在停止熏气后生长有所恢复，植株叶绿素含量高， 光合作用强。叶片细胞膜对电解质的外渗较低，并且叶片组织的细胞活力大，叶片 可见伤害小，说明施用稀土对防护植物以免臭氧伤害有良好的效果【9 5 】。周青等嗍 在l a 对p b ，c d 复合污染大豆幼苗的缓解作用的研究中，得出叶面喷施 3 0 m l l a c l 3 ，能减轻p b ，c d 复合污染造成的伤害，其机制在于l a 能促进植物光合 作用，增加叶绿素含量，提高硝酸还原酶和脱氢酶活性，促进根系生长，抑制重金属 在植物体内积累，降低细胞膜透性，增强植株抗逆性【9 7 】。 1 3 4 稀土在植物抗逆中的生理机制 稀土离子不仅可以占据钙的位置与生物大分子结合，而且还可以取代结合的 c a 9 虬。而c a 不仅是大量营养元素，而且是重要的第二信使，调控着植物生长发育 的很多过程如光形态建成、向地性、细胞分化等。同时质膜的透性和稳定性也与 c a 有密切关系【9 9 1 ，稀土离子能与细胞膜上的磷脂结合，调节钙代谢。稀土离子能 改变细胞膜的通透性和稳定性，提高细胞膜的保护功能，大大提高生物对不良环境 的抵抗力，提高植物的抗逆性【8 0 】。 1 4 本文的创新点 a 比较了植物根、叶对重金属反应差异。 b 比较了植物对重金属的不同价态的反应差异。 c 比较了不同种的浮萍对重金属毒害的反应差异。 d ，利用普通照相、显微照相、透射电镜及扫描电镜等实验手段，从宏观和微观上 对稀土的缓解效应进行了比较。 e 对镧、锌之间的交互缓解作用及机理进行了初探。 f 利用焦锑酸钙沉淀的电镜细胞化学方法，研究了c u 胁迫下慈姑根中c a 2 + 的分布 变化，并对稀土缓解重金属毒害的机理进行了初步探索。 第1 2 页 2 材料和方法 2 1 材料及处理 ( 1 ) c d 2 + 对慈姑根、叶的影响的实验：慈姑产于南京双闸镇，1 1 月购于菜市场。然 后置于f o r m a 3 7 4 4 型全封闭光照培养箱中，空气温度2 8 。c 1 2 0 ，光照周期 1 2 h 1 2 h ，光照度7 0 m o l p h o t o n sm 。s 一，当发现植株体上长出的幼体约3 c m 左右时， 取下继续培养，直至长6 c m 左右。取长势一致的幼体植株移入容积为2 ，0 0 0 m l 装有1 2 0 h o a g l a n d 培养液的大烧杯中，一次性分别加入分析纯c d c l 2 培养液 中，c d 2 + 的最终浓度依