植物生理学实验论文.doc

水生植物菹草对重金属离子镉的抗性研究摘要：采用Hogland营养液培养菹草7天，分别加入5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L重金属镉处理，发现处理后菹草叶绿素a、b含量下降、细胞膜通透性上升、组织中MDA积累。镉浓度越高，菹草各项指标变化更明显。20mg/L时，菹草各项指标变化最大；5mg/L时，菹草对Cd最敏感，变化幅度最大。关键词：镉；菹草；抗性Study of the Resistance of Potamogeton Crispus toward Heavy Metal CadmiumAbstract: Use Hogland nutritious liquid cultivate potamogeton crispus for severn days, adding 5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L heavy metal cadmium. We find that after severn days the chlorophyl a and chlorophyl b of potamogeton crispus descend, as well as the permeation of cell membrane. MDA was piled in the cell. The more cadmium in the liquid, the more the diffieent guide line in the potamogeton crispus. The guide line change most in liquid which has 20mg/L cadmium. Potamogeton crispus is most sensitive to liquid which has 5mg/L cadmium. The guide line change range is the widest. Key words: cadmium; potamogeton crispus; resistance逆境亦称为环境胁迫，是对植物生存生长不利的各种环境因素的总称。在一定范围内，植物能通过本身形态、结构、生理、行为或生活史特性的改变，来抵御环境因子的不良影响，免遭伤害，这种植物对逆境的忍耐和抵抗能力，简称抗性。对植物抗性生理的研究对于农、林业生产及其环境保护有着重要的关系。工业现代化以来，人类以前所未有的速度和规模改变着世界，在创造巨大财富的同时也重创了人类赖以生存的环境。水体作为人类生存和发展的重要环境要素不同程度的遭受了人类排放的各类物质的污染。近年来，各种工业（如采矿、冶炼、电镀等） 废水和固体废弃物的渗出液直接排入水体，致使水体中有毒重金属元素的含量越来越高。1作为一类污染物质，由于其一般具有较大的毒性而能对水体造成极大的污染，是水生生态系统中最危险的物质之一。重金属在水体中不能被生物降解，某些重金属还可在微生物作用下转化为毒性更强的重金属化合物，在进入生态系统后，经食物链的生物放大作用，逐级在较高级的生物体内富集，引起生态系统中各级生物的不良反应，甚至危害包括人体在内的各种生命。镉就是其中的一种有毒有害重金属，易在食物链中积累后进入人体，严重危害人类健康。20世纪初因食用镉污染大米，日本大面积爆发“痛痛病”，因此，有关镉污染及防治研究引起全世界关注2-7。研究植物受重金属毒害后的抗性表现对于探讨重金属对植物的毒害机制，及时发现和排除重金属污染源具有一定参考价值。为此，我们选择全国分布广泛的沉水植物眼子菜科、眼子菜属植物菹草potamogeton crispus Linn.作为实验材料，研究了水生植物在不同浓度重金属镉的毒害下的抗性表现。1、材料和方法1.1材料菹草potamogeton crispus Linn.2007年4月采自南京师范大学仙林校区西区、东区水塘内。在样品采集后, 选取生长旺盛的植株, 用配好的Hogland营养液进行培养，分别在其中加入了5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L重金属镉离子处理，在室温下置于背光处培养一周，每日补充少量水份，以补偿水分蒸发消耗。本实验组加入20mg/L重金属镉离子处理。每天下午3时对植物进行观察拍照。第七日采菹草尖部第七、八片叶子少量完成本次实验。1.2方法1.2.1测定植物光合作用色素比值的变化（分光光度法）方法参照参考文献8的实验方法。1.2.2测定植物组织伤害程度（电导仪法）方法参照参考文献9的实验方法。1.2.3测定植物组织膜脂过氧化程度（MDA法）方法参照参考文献9的实验方法。2.实验数据2.1培养周期内不同日期菹草外观上的变化变化情况如附图。在本实验组高浓度镉离子的刺激下，随着培养日期的推移，菹草逐渐发黄、叶边缘出现褶皱，叶片上出现斑点，这种现象在培养的最后一天表现得最为严重。2.2不同浓度镉离子对植物光合作用色素的变化情况表1、叶绿素含量测定Cd浓度(mg/L)叶绿素a含量（mg/gFw)叶绿素b含量（mg/gFw)a/b00.7670.3682.08450.3740.3691.014100.3570.3541.008150.3240.2251.440200.3090.1532.020由表1、图1可知，随着Cd2+浓度的增加，叶绿素a、叶绿素b的含量都明显降低。其中，5mg/L时，叶绿素a的含量降至0mg/L时的48.8%，降幅最大；15mg/L时，叶绿素b的含量降至10mg/L时的63.6%，降幅最大。而随着Cd2+浓度的增加，叶绿素a/b的值呈现出先降后升的趋势。其中，010mg/L时叶绿素a/b值逐渐下降，5mg/L时叶绿素a/b值下降至0mg/L时的48.7%，下降得最快；1020mg/L是叶绿素a/b值逐渐上升，20mg/L时叶绿素a/b值上升至15mg/L时的140.3%，上升得最快。2.3不同浓度镉离子对植物组织伤害程度的变化表2、重金属胁迫对植物细胞伤害的测定Cd浓度(mg/L)S1-S0（uS/cm）S2-S0（uS/cm）L=(S1-S0)/(S2-S0)025.7135.640.721526.3834.020.7751029.1132.450.8972027.3329.110.939由表2、图2可知，随着Cd2+浓度的增加，植物细胞浸提液的电导率逐渐增大，显示Cd2+浓度的增加对植物组织伤害程度逐步加深。其中，10mg/L时电导率值上升至5mg/L时的115.7%，上升得最快。2.4不同浓度镉离子对植物组织膜脂过氧化程度的变化表3、重金属离子胁迫对植物组织膜脂过氧化的测定（MDA）法Cd浓度(mg/L)MDA的含量（umol/gFw)00.0093580550.017247100.025648200.04090605由表3、图3可知，随着Cd2+浓度的增加，植物组织中MDA含量逐渐增大，显示Cd2+浓度的增加使植物组织过氧化程度逐步加深。其中，5mg/L时电导率值上升至0mg/L时的184.3%，上升得最快。3.分析与讨论3.1重金属Cd对菹草叶绿素含量的影响光合作用是绿色植物特有的功能，它是在叶绿体内进行的。叶绿体的主要结构是由光合片层膜系统构成的类囊体，所有的光合色素和大部分光合系统成员都附着在类囊体和片层膜上。高等植物的叶绿体中所含的光合作用色素主要包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素四种色素。目前，Cd对光合作用色素的影响，大多涉及到Cd对叶绿素影响，而Cd对类胡萝卜素的影响则很少有报道10。许多研究表明，叶绿素含量与光合作用有正相关的关系，在一定范围内，随着叶绿素含量的增加，光合作用也在增加。我们此次的试验结果也显示，重金属Cd对菹草的叶绿素a、叶绿素b有严重的伤害作用，使其含量下降，且浓度越高，下降越快。同时，我们的结果还显示：叶绿素a对5mg/L浓度的 Cd最为敏感，受破坏变化最大；而叶绿素b对15mg/L 浓度的Cd最为敏感。Cd除了影响叶绿素含量外，还影响叶绿素组成，一些研究结果表明11,12，叶绿素a比叶绿素b对Cd更敏感，Cd使叶绿素a叶绿素b的比值下降。我们的结果显示010mg/L叶绿素a叶绿素b的比值下降，1020mg/L叶绿素a叶绿素b的比值上升，这与前人的研究结果矛盾。原因可能是本实验中高浓度Cd处理实验组由于其他的因素使得菹草的叶绿素b受到了更大的破坏，如水环境中其它因子或提取过程中叶绿素b受到破坏等。Cd破坏叶绿素的机制,通常认为：(1)Cd干扰Fe代谢，降低植物体内Fe的有效性13；(2)Cd干扰有关叶绿素合成酶的活性，使叶绿素合成受阻，同时，增加了叶绿素酶的活性，使叶绿素分解；(3)Cd在叶内局部积累过多，与酶蛋白的-SH结合或取代Fe、Zn、M g等，破坏叶绿体结构及功能特性；(4)Cd通过拮抗作用干扰植物对Mn、Zn、Mg等元素的吸收、迁移，阻断营养元素向叶部输送,使叶绿素合成能力受到干扰14。3.2重金属胁迫对植物组织的伤害植物细胞膜系统是植物细胞和外界环境进行物质交换和信息交流的界面和屏障，其稳定性是细胞进行正常生理功能的基础，80年代中期以来的一些试验结果表明，Cd对植物细胞膜有严重破坏作用，使得细胞膜透性增加1517。植物细胞膜透性与Cd浓度呈极显著正相关15，即Cd浓度越大，对细胞膜的伤害越大，这是植物受害的原因之一，因而细胞膜透性是评定植物Cd毒害的生理指标之一。我们的实验结果显示，Cd浓度的升高对菹草细胞膜透性有着严重的伤害作用，在5mg/L时菹草对Cd的伤害最为敏感，受伤害变化程度最大。细胞膜透性的增加与细胞质膜的结构和功能受到破坏有关，而这种破坏作用可能是由于Cd直接与膜蛋白的-SH结合或与磷酸乙醇胺和单分子层的磷脂线氨酸反应而引起18，此外，也与Cd导致膜脂过氧化加剧有重要关系19。3.3重金属离子胁迫对植物组织过氧化的伤害植物器官在逆境下遭受伤害时，细胞中产生超氧阴离子自由基和羟基自由基，诱导膜质中的不饱和脂肪酸发生膜脂过氧化作用。丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终分解产物，从膜上产生的位置释放出后，与蛋白质、核酸起反应修饰其特征；是纤维素分子间的桥键松弛，或抑制蛋白质的合成。MDA的积累可能对膜和细胞造成一定的伤害。MDA作为常用的膜脂过氧化指标，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度9、20。 罗立新等研究发现，在镉胁迫下，小麦叶中超氧阴离子自由基(O-2)的积累显著增加，伴随MDA含量升高，显示发生膜脂过氧化。其实验结果表明，镉胁迫4天时，高浓度处理组小麦叶细胞内发生MDA积累。随镉胁迫时间延长，膜脂过氧化程度加剧。Cd处理8d时，各组小麦叶细胞内MDA的含量与镉胁迫强度成正相关，最高Cd浓度处理组的MDA含量为对照组的152%(P0.01)20。我们的实验结果和罗立新等的结果相似，随着Cd浓度的上升，菹草组织中MDA的含量明显上升，在5mg/L时达到184.3%，其他浓度的Cd处理也会使MDA含量上升50%。实验结果表明，重金属Cd对菹草的组织膜有严重的伤害作用，并且在5mg/L时菹草组织最为敏感，受伤害程度变化最大。Hendny等曾提出，Cd对植物的毒害是由于Cd诱发搞活性的自由基和MDA的形成，他们损伤织物的自养过程，不可避免的阻滞了生长21。黄玉山等的实验也证明了这一点22，因此，本实验中MDA含量上升，必然对菹草组织、器官的生长产生了负面的作用。3.4各指标间关系Cd是植物非必须元素，Cd进入植物并积累到一定程度，就会表现出毒害症状，这些症状共同反映了Cd对植物的影响。叶绿素a、b含量的下降，会导致植物光合作用能力的下降，进而导致积累有机物的含量下降；细胞膜透性的上升，细胞内电解质外渗流失，将导致细胞正常生理生化反应不能够正常进行；MDA的产生和含量上升，植物细胞膜过氧化受到伤害，抑制蛋白质等物质的合成。这些反应的共同结果是植物的生长受到抑制和毒害，若Cd浓度进一步增高，植物将受毒害死亡。Cd对植物的影响，除了叶绿素、细胞膜透性和膜脂过氧化外，还对植物的细胞分裂、细胞超微结构、植物体内酶活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和植物营养吸收元素产生影响23、24。4.结论 本实验用不同浓度的Cd处理对菹草，发现Cd对菹草有毒害作用，菹草的各项生理指标都在Cd的影响下下降明显。5mg/LCd处理菹草即出现受毒害症状，不同浓度的Cd对菹草的毒害作用不相同，浓度越高，菹草受到的毒害越强，各项生理指标下降越大，20mg/LCd时菹草受毒害作用最大。当Cd浓度为5mg/L时，菹草对Cd最为敏感受到的毒害影响变化幅度最大。参考文献：1张剑波，冯金敏，离子吸附技术在废水处理中的应用和发展J,环境污染治理技术与设备，2000,1(1):23-252胡金朝，郑爱珍，重金属胁迫对植物细胞超微结构的损伤J，商丘师范学院学报，2005,21(5):126-1333徐勤松等，重金属镉、锌在菹草叶细胞中的超微定位观察J，云南植物研究，2002,24(2):241-2444谷巍等，汞、镉污染对轮叶狐尾藻的毒害J，中国环境科学,2001,(1):55-585季玉鸣等，镉引起小麦苗逆境乙烯的产生及其和镉的吸收、分布的关系J，植物生理学报，1989, 15(2):159-166李大辉等，Hg2+、Cd2+对菱幼苗生长及其超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性的影响J，武汉植物学研究,1999,(3):35-377段昌群，王焕校，Pb2+ 、Cd2+ 、Hg2+ 对蚕豆(Vicia faba L.)乳酸脱氢酶的影响J，生态学报，1998,18(4):413-4178常福辰等，植物生理学实验指导，南京师范大学生命科学院，2006，99常福辰，沙莎，精品实验水生植物抗性生理的研究实验指导，南京师范大学生命科学院，2006，910Prasad M.N.V,Inhibition of maize leaf chlorophylls,carotenords and gas exchange function by cadmiumJ, Photo synthetica(Prague)1995,31(4):63564011李元等，镉、铁及其复合污染对烟草生理的影响J，生态学报，1990,10(4):494-50012周青等，镧-甘氨酸配合物对Cd伤害小白菜的影响J，环境科学，1999，20(1):91-9413Smith G.C,Brennan E.G.and Grenhalgh B.J,Cadm ium sensitivity of soybean related to 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