全 文 ：植物生态学报 2013, 37 (10): 950–960 doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00098
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2013-03-07 接受日期Accepted: 2013-08-20
* E-mail: dingjijun20062072@126.com.
** 通讯作者 Author for correspondence (E-mail: scpyzls@163.com)
外源谷胱甘肽对石竹幼苗镉毒害的缓解效应
丁继军1,2 潘远智1* 李 丽3 刘柿良1 崔明峰1,4 高佩刚1
1四川农业大学风景园林学院, 成都 611130; 2长江三峡实业有限公司, 湖北宜昌 443002; 3西南林业大学林学院, 昆明 650224; 4成都易合建筑景观设
计有限公司, 成都 610032
摘 要 为了探讨外源谷胱甘肽(GSH)对地被植物镉(Cd)毒害的缓解效应, 采用温室盆栽土培的方法, 研究了不同浓度(0、
20、40、60、80、100 mg·L–1)的外源GSH处理对50 mg·kg–1 Cd胁迫下石竹(Dianthus chinensis)幼苗生长的影响。结果发现, 50
mg·kg–1 Cd显著抑制了石竹幼苗的生长。喷施外源GSH后, 一定浓度范围内(≤60 mg·L–1)的外源GSH可显著缓解石竹幼苗的
Cd胁迫, 过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)、脱氢抗坏血
酸还原酶(DHAR)、谷胱甘肽还原酶(GR)的活性, 抗坏血酸(AsA)和GSH含量以及生物量、株高、分蘖数都显著高于无外源GSH
处理的石竹幼苗, 而丙二醛(MDA)含量、细胞膜透性、Cd含量、O2·–的产生速率以及H2O2的积累量则显著低于无外源GSH处
理的石竹幼苗, 但随着外源GSH喷施浓度的增加, 缓解效应有下降的趋势。试验表明55–65 mg·L–1的外源GSH缓解效果最佳。
关键词 抗坏血酸-谷胱甘肽循环, 镉胁迫, 石竹幼苗, 外源谷胱甘肽, 缓解效应
Mitigation effects of exogenous glutathione on the growth of Dianthus chinensis seedlings un-
der Cd stress
DING Ji-Jun1,2, PAN Yuan-Zhi1*, LI Li3, LIU Shi-Liang1, CUI Ming-Feng1,4, and GAO Pei-Gang1
1College of Landscape Architecture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2The Three Gorges Industrial Co.,Ltd., Yichang, Hubei 443002,
China; 3College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; and 4Cheng Du Yihe Landscape Architecture Design Co.Ltd., Chengdu
610032, China
Abstract
Aims The objective was to investigate exogenous glutathione (GSH) mitigation effects of Cadmium (Cd) toxic-
ity on ground cover plants.
Methods A greenhouse pot experiment was conducted to explore the effects of spraying different concentrations
(0, 20, 40, 60, 80 and 100 mg·L–1) exogenous GSH on Dianthus chinensis seedlings exposed to 50 mg·kg–1 Cd in
the soil.
Important findings 50 mg·kg–1 Cd significantly inhibited the growth of D. chinensis seedlings; however, a range
of concentrations of sprayed exogenous GSH significantly relieved Cd stress on D. chinensis seedlings. Sprayed
D. chinensis seedlings had increased activities of the catalase (CAT), peroxidase (POD), ascorbate peroxidase
(APX), monodehydroascorbate reductase (MDAR), dehydroascorbate reductase (DHAR) and glutathione reduc-
tase (GR), as well as increased ascorbic acid (AsA) and GSH contents, biomass, plant height and number of till-
ers. There were decreases in malondialdehyde (MDA), cell membrane permeability, Cd contents, O2·
– production
rates and accumulated amount of H2O2. However, with increased exogenous GSH concentration, there was a
downward trend in mitigation effects. Considering all factors, the mitigation effects were maximized by spraying
55–65 mg·L–1 exogenous GSH.
Key words AsA-GSH cycle, Cd stress, Dianthus chinensis seedling, exogenous GSH, mitigation effect

镉(Cd)是对生物体有毒害的重金属元素, Cd胁
迫会导致植物体内过多活性氧 (ROS, 如O2·–、
H2O2、·OH等)的产生与积累, 从而引发或者加剧细
胞膜脂过氧化, 蛋白质变性以及核苷酸受损等, 严
重时导致细胞死亡(He et al., 2007)。植物会通过调
节自身的防御体系对Cd胁迫作出适应性反应, 以保
护细胞免受ROS的伤害, 维持细胞膜的稳定。抗坏
血酸 -谷胱甘肽 (AsA-GSH)循环在植物机体清除
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ROS过程中发挥着极其重要的作用(Manisha et al.,
1999)。其中, GSH是一种普遍存在于植物体内的小
分子硫醇类化合物——由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨
酸形成的三肽化合物(Anderson, 1998), 它是一种重
要的水溶性抗氧化物质, 在植物细胞中可以直接使
一些ROS还原, 但是GSH与H2O2的反应速度相当慢,
因而在植物中依赖GSH直接还原H2O2不是其主要
的清除途径, 与GSH相关的生理过程在植物适应环
境胁迫上具有十分重要的作用, 这些生理过程和抗
坏血酸过氧化物酶(APX)、单脱氢抗坏血酸还原酶
(MDAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、谷胱甘肽
还原酶(GR)等酶的活性密切相关(鲁丽丽, 2006)。目
前, 部分学者采用水培方式研究外源GSH对小麦
(Triticum aestivum) (彭向永等 , 2012)、香薷
(Elsholtzia ciliata) (钱猛和朱昌华, 2010)以及月季
(Rosa chinensis) (姜玉东等, 2010)等植物的逆境抗
性生理的影响已取得成效, 但是外源GSH对土壤重
金属Cd胁迫下的城市地被植物生长的影响, 尤其是
有关GSH功能的剂量效应, 国内外鲜有研究报道。
石竹(Dianthus chinensis)是石竹科石竹属多年
生草本植物, 是中国传统名花之一, 观赏价值较高,
易繁殖, 易养护, 在园林上应用广泛。试验通过温
室盆栽的方法, 研究不同浓度的外源GSH对高浓度
Cd污染土壤中石竹幼苗生长的影响, 为探索缓解地
被植物Cd胁迫的途径提供科学的理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料
1.1.1 供试土壤
采用温室盆栽试验。供试土壤由菜园土和发酵
土(由秸秆与畜禽粪便发酵而成)按照2:1的比例配
成。将园土碾碎、自然风干、剔除杂物, 再与发酵
土按比例混匀后过5 mm钢筛, 然后用多菌灵粉剂
消毒, 静置数天后, 测定土壤的基本理化性质, pH
为6.4, 全氮、全磷和全钾分别为0.45、0.71、3.65
mg·kg–1, 有机质含量为41.32 mg·kg–1, Cd含量为
0.31 mg·kg–1。
1.1.2 植物材料
供试石竹为购自成都市郫县成青花卉苗圃的
一年生实生幼苗。将生长健壮且长势一致的石竹幼
苗从营养杯中取出, 剪除老叶, 用清水洗净根系,
剪去烂根, 按每盆3株种于种植土中, 操作时不损
伤根系。
1.2 试验方法
1.2.1 盆栽试验
采用温室盆栽试验, 于2012年8–11月在四川农
业大学成都校区教学科研基地进行。选用塑料盆,
规格为34 cm × 21 cm × 27 cm (上径×下径×高), 作
栽培容器(盆下放置蓄水垫盘), 每盆装土10 kg。盆
土浇清水至田间持水量的60%左右。平衡1周后, 将
石竹幼苗上盆, 培养10天后, 石竹正常生长。将50
mg·kg–1 ( 由 预 备 试 验 得 到 的 临 界 浓 度 )的
CdC12·2.5H2O水溶液均匀浇灌在盆土中(渗出液反
复回收浇灌, 直到Cd2+与盆栽土壤均匀混合), 浓度
以纯Cd计, 单位为mg·kg–1, Cd处理5天后按表1向石
竹叶片喷施不同浓度的外源GSH, CK用清水浇灌和
喷施, 每个处理5盆, 以叶片滴液为度, 每2天喷一
次, 共喷施5次。
1.2.2 样品分析
待植物在重金属污染的盆土中生长15、30、45
天后, 取植株中部成熟叶片, 测定各项生理生化指
标。质膜透性、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化
酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性测定参照熊庆
娥(2003)的方法。 2O•和H2O2含量分别采用李合生
(2000)、Wang和Luo (1990)的方法, AsA和GSH的含
量分别按照Ellman (1959)和Tanaka等(1985)的方法
测定。APX和GR活性的测定参考Nakano和Kozi
(1981), DHAR和MDAR活性的测定参照Stasolla和
Yeung (2001)的方法。
处理两个月后收获植物, 用自来水洗净, 再用
蒸馏水冲洗2–3遍, 用不锈钢工具把样品的叶、茎和
根分开, 在105 ℃烘箱内杀青30 min, 装入牛皮纸
信封, 在70–80 ℃下烘干至恒重, 称量。用料理机粉
碎后, 采用湿样消解法消解植物样品, 原子吸收分
光光度计(AA320N型, 上海精密科学仪器有限公司)
测定其中的Cd含量。以上指标的测定均重复3次。
抗性系数=处理总生物学产量/对照总生物学产量
1.3 数据分析
利用Excel 2003对试验数据进行初步计算, 用
SPSS 17.0进行单因素方差分析、Duncan’s多重比
较、相关性和线性回归分析, 采用Origin 8.6绘制相
关图表。


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表1 试验设计
Table 1 Design of this experiment
处理 Treatment CK I II III IV V VI
镉 Cd (mg·kg–1) 0 50 50 50 50 50 50
谷胱甘肽 Glutathione (mg·L–1) 0 0 20 40 60 80 100



表2 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗生长的影响(平均值±标准偏差)
Table 2 Effects of the exogenous glutathione on the growth of Dianthus chinensis seedlings under Cd stress (mean ± SD)
生物量 Biomass (g DW·pot–1) 处理
Treatment
地下部 Root 地上部 Shoot 整株 Whole plant
株高
Plant height (cm)
分蘖数
Tiller number
抗性系数
Coefficient
CK 1.89 ± 0.11a 13.66 ± 0.30a 15.56 ± 0.37a 27.50 ± 2.38a 11.8 ± 2.08a –
I 1.44 ± 0.05b 10.59 ± 0.26c 12.02 ± 0.21d 17.37 ± 1.62d 5.3 ± 1.53b 0.77
II 1.44 ± 0.08b 10.75 ± 0.38c 12.18 ± 0.32d 18.93 ± 0.26cd 5.3 ± 2.52b 0.78
III 1.59 ± 0.06b 11.30 ± 0.29b 12.90 ± 0.31c 20.16 ± 2.15c 7.7 ± 1.54b 0.83
IV 1.53 ± 0.21b 13.21 ± 0.14a 14.73 ± 0.14b 23.36 ± 0.42b 8.3 ± 0.58b 0.95
V 1.59 ± 0.08b 11.34 ± 0.19b 12.93 ± 0.26c 19.31 ± 0.06cd 6.7 ± 1.53b 0.83
VI 1.49 ± 0.03b 11.66 ± 0.27b 13.15 ± 0.28c 20.22 ± 0.20c 7.3 ± 1.53b 0.85
处理同表1。同列不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)。
Treatment see Fig. 1. Different small letters within the same column indicate significant difference (p < 0.05).


2 结果和分析
2.1 GSH对石竹幼苗生长的影响
由表2可知, 处理I石竹幼苗的生物量、株高、
分蘖数均显著低于CK, 石竹地下部分、地上部分
和整株生物量较CK分别下降了23.81%, 22.47%
和22.75% (p < 0.05)。喷施不同浓度的外源GSH
后, 由抗性系数可知, 随着外源GSH浓度的增大,
石竹各部分生物量呈现先增后减的趋势, 处理IV
石竹地下部、地上部和整株生物量分别达到最大
值, 是处理I的1.06、1.25和1.34倍(p < 0.05), 仍低
于CK, 处理V和VI差异不显著。另外, 由表3可知,
外源GSH与石竹幼苗的株高、分蘖数和生物量的
相关系数分别为0.446 (y株高= 0.027x + 18.562),
0.417 (y分蘖数= 0.021x + 5.730)和0.523 (y生物量=
0.138x + 12.298) (p < 0.05), 说明外源GSH对Cd胁
迫下石竹幼苗生物量的影响主要体现在对株高的
影响。
2.2 外源GSH对石竹幼苗各部分Cd含量的影响
由图1可知 , 石竹幼苗在施加有50 mg·kg–1
Cd的土壤中生长一段时间后, 处理I根、茎和叶的
单位质量含Cd量分别是CK的19.07倍、5.33倍和
6.35倍(p < 0.05)。喷施外源GSH后, 处理II–VI根
部单位质量含Cd量则呈现持续下降的趋势, 处理
V略微有波动, 处理IV、V和VI石竹根部单位质量
含Cd量差异不显著, 处理I、II和III茎部单位质量
含Cd量差异也不显著, 处理VI石竹根部、茎部和
叶片单位质量含Cd量均为处理 II–VI中最低值 ,
分别只有处理I的60.83%、43.03%和36.90%, 但仍
比CK相应部位单位质量Cd含量高(p < 0.05)。由
表3可知, 石竹幼苗根、茎和叶的单位质量Cd含量
与外源GSH浓度相关系数分别为–0.837、–0.899
和–0.888, 说明外源GSH降低了石竹幼苗对Cd的
吸收和转移, 且这种效应表现为叶(y叶= –0.081x +
14.786, R2 = 0.701) >茎(y茎= –0.083x + 15.510, R2
= 0.808) >根(y根= –0.209x + 54.481, R2 = 0.701) (p
< 0.01)。
2.3 外源GSH对石竹幼苗叶片MDA含量和相对
电导率的影响
如图2所示, 石竹幼苗在含有50 mg·kg–1 Cd的
土壤中生长15、30、45天后, 其叶片MDA含量分别
较CK增加了23.08%, 23.13%和26.46%, 其叶片相
对电导率是CK的2.15、1.85和1.87倍(p < 0.05)。向
石竹幼苗叶面喷施不同浓度的外源GSH后, 其叶片
MDA含量随外源GSH浓度的增加略微下降 , 但各
处理间差异不显著。其叶片相对电导率随外源GSH
浓度的升高而下降, 处理IV石竹叶片相对电导率只
有处理I的63.56%、72.71%和58.74% (p < 0.05), 处
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表3 Cd胁迫下石竹幼苗各指标与外源谷胱甘肽浓度之间的相关性与线性回归分析
Table 3 Correlation and linear regression analysis between each index of Dianthus chinensis seedlings and exogenous glu-
tathione concentration under Cd stress
指标
Index
PB PH NT CdRoot CdStem CdLeaf Con MDA含量
MDA content
O2·
–产生速率
O2·
– production rate
r 0.523 0.446 0.417 –0.837 –0.899 –0.888 0.619 0.804 0.875
b 0.138* 0.027 0.021 –0.209** –0.083** –0.081** –0.075** –0.009** –0.027**
a 12.293 18.562 5.730 54.481 15.510 14.786 31.240 5.486 5.477
指标
Index
H2O2含量
H2O2
content
POD活性
POD
activity
SOD活性
SOD
activity
CAT活性
CAT
activity
APX活性
APX
activity
MDAR活性
MDAR
activity
DHAR活性
DHAR
activity
GR活性
GR
activity
AsA含量
AsA
content
GSH含量
GSH
content
r 0.840 0.417 0.122 0.721 0.204 0.672 0.462 0.637 0.565 0.757
b –0.025** 0.187 0.049 0.101** 0.001 0.003** 0.001 0.001** 0.002* 0.002**
a 4.338 220.339 130.075 29.968 1.477 1.270 0.483 0.347 0.643 0.311
APX, 抗坏血酸过氧化物酶; AsA, 抗坏血酸; CAT, 过氧化氢酶; CdLeaf, 单位质量叶的Cd含量; CdRoot, 单位质量根的Cd含量; CdStem,
单位质量茎的Cd含量; Con, 相对电导率; DHAR, 脱氢抗坏血酸还原酶; GR, 谷胱甘肽还原酶; GSH, 谷胱甘肽; H2O2, 过氧化氢;
MDA, 丙二醛; MDAR, 单脱氢抗坏血酸还原酶; NT, 分蘖数; O2·–, 超氧阴离子; PB, 整株生物量; PH, 株高; POD, 过氧化物酶; SOD,
超氧化物歧化酶。r、b和a分别表示Pearson相关系数、回归直线斜率和回归直线截距。
APX, ascorbate peroxidase; AsA, ascorbic acid; CAT, catalase; CdLeaf, Cd content per unit mass of leaf; CdRoot, Cd content per unit mass of
root; CdStem, Cd content per unit mass of stem; Con, relative conductivity; DHAR, dehydroascorbate reductase; GR, glutathione reductase;
GSH, glutathione; H2O2, hydrogen peroxide; MDA, malondialdehyde; MDAR, dehydroascorbate reductase; NT, number of tillers; O2·
–,
superoxide anion; PB, whole plant biomass; PH, plant height; POD, peroxidase; SOD, superoxide dismutase. r, b and a represent the Pearson
correlation coefficient, regression line slope and the regression line intercept, respectively. *, p < 0.05; **, p < 0.001.



图1 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗各部分Cd含量的影响(平均值±标准偏差)。处理同表1。不同小写字母表示同
一部位不同浓度外源谷胱甘肽处理差异显著(p < 0.05)。
Fig. 1 Effects of exogenous glutathione on the Cd content of different parts of Dianthus chinensis seedlings under Cd stress
(mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate significant difference in the same location with different
exogenous glutathione treatments (p < 0.05).


理V和处理VI有微小的波动。由表3可知, 石竹幼苗
叶片MDA含量和相对电导率与外源GSH浓度的相
关系数分别为 –0.619 (y = –0.075x + 31.24)和
–0.804 (y = –0.009x + 5.486) (p < 0.01)。
2.4 外源GSH对石竹幼苗叶片O2·–产生速率和
H2O2含量的影响
如图3所示, 50 mg·kg–1 Cd的土壤中生长的石
竹幼苗在培养15、30、45天后, 其叶片中O2·–产生
速率分别是CK的3.74、3.98和4.39倍, H2O2含量分
别是CK的3.03、2.76和3.05倍(p < 0.05)。向石竹
幼苗叶面喷施不同浓度的外源GSH后, 其O2·–产
生速率在3个时间点均呈现随外源GSH浓度升高
而先下降后变化平缓的趋势, 处理IV达到最低, 3
个时间点分别只有处理 I的57.63%、54.45%和
42.92% (p < 0.05), 仍然显著高于CK, 处理V和VI
较处理IV略有回升, 但三者差异不显著。同样地,
试验中石竹幼苗叶片H2O2含量随外源GSH浓度
升高而下降直至不再变化, 处理VI在3个时间点
只有处理I的34.98%、41.40%和38.43% (p < 0.05),
处理V、VI和CK之间差异不显著。另外, 由表4
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图2 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗叶片丙二醛含量和相对电导率的影响(平均值±标准偏差)。处理同表1。不同小
写字母表示相同处理时间下不同浓度的外源谷胱甘肽处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 2 Effects of exogenous glutathione on malondialdehyde (MDA) content and the relative conductivity of Dianthus
chinensis seedling leaves under Cd stress (mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate significant
difference between exogenous glutathione treatments of same treatment duration (p < 0.05).



图3 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗叶片O2·–产生速率和H2O2含量的影响(平均值±标准偏差)。处理同表1。不同小
写字母表示相同处理时间下不同浓度的外源谷胱甘肽处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 3 Effects of exogenous glutathione on superoxide anion production rate and H2O2 content of Dianthus chinensis seed-
ling leaves under Cd stress (mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate significant difference between
exogenous glutathione treatments of same treatment duration (p < 0.05).


可知 , O2·–产生速率与H2O2含量之间的相关系数
达到0.72, 由表3可知, 两者与外源GSH浓度相关
系数分别达到–0.875 (y = –0.027x + 5.477)和
–0.840 (y = –0.025x + 4.338) (p < 0.01)。

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表4 石竹幼苗各指标间的相关系数
Table 4 Correlation coefficients between various indicators of Dianthus chinensis seedlings
指标同表3。
Index see Table 3. *, p < 0.05; **, p < 0.01.


2.5 外源GSH对石竹幼苗叶片POD、SOD、CAT
活性的影响
如图4所示, 培养15、30、45天后, 处理I POD
和CAT分别只有CK的89.06%、88.26%、70.13%
和108%、79.09%、75.08%, 而SOD在3个时间点
时分别是CK的1.08、1.65和1.39倍(p < 0.05)。向
石竹幼苗叶面喷施不同浓度的外源GSH后, 处理
15天时 , 处理II–VI石竹叶片POD活性与处理I无
显著差异; 45天时, POD活性随外源GSH浓度的增
大先增大后减小再增大 , 处理 III最大活性时与
CK无显著差异。培养15、30天时, 处理II–VI石竹
叶片SOD活性与处理I无显著差异。30天时, 处理
II–VI石竹幼苗叶片CAT活性随外源GSH浓度的
增大先增大后减小到变化不明显, 15、45天时处理
II–VI石竹幼苗叶片CAT活性与处理I无显著差异。
由表3可知CAT活性与外源GSH浓度的相关系数
达到0.721 (y = 0.101x + 29.968) (p < 0.01)。
2.6 外源GSH对石竹幼苗叶片APX、MDAR、
DHAR和GR活性的影响
如图5所示 , 在3个时间点处理I石竹幼苗叶
片APX、MDAR、DHAR和GR活性平均值较CK
分别下降了8.50%、26.01%、34.72%和43.40% (p <
0.05)。向石竹幼苗叶面喷施不同浓度的外源GSH
后, 处理II–VI石竹叶片APX活性在处理第15天时
较处理I无显著变化, 在第30、45天时先上升后平
缓下降, 处理III的活性达到最高, 显著高于处理I
(p < 0.05), 与CK差异不显著; 处理II–VI石竹叶
片MDAR活性在3个时间点均随外源GSH浓度的
增加而先上升后平缓下降, 处理IV均达到最大值,
分别是处理I的1.15、1.32和1.28倍(p < 0.05); 处理
II–VI石竹叶片DHAR活性在第15天时无显著差
异, 30、45天时随外源GSH浓度的增加而先上升后
平缓下降, 处理IV均达到最大值, 分别较处理I增
加了14.89%、65.12%和53.66% (p < 0.05), 处理I
和 II、V和VI在3个时间点差异均不显著 ; 处理
II–VI石竹叶片GR活性也随外源GSH浓度的增加
而先上升后平缓下降 , 处理III的活性达到最高 ,
分别是处理I的1.19、1.40和1.14倍(p < 0.05)。
另外, 由表4可知, MDAR与DHAR和GR的相
关系数分别为0.78和0.72, GR与DHAR的相关系
数为0.83, 由表3可知, MDAR和GR与外源GSH浓
度的相关系数分别达到了0.672 (y = 0.003x +
1.270)和0.637 (y = 0.001x + 0.347) (p < 0.01)。
2.7 外源GSH对石竹幼苗叶片AsA和GSH含量
的影响
如图6所示, 石竹幼苗在含有50 mg·kg–1 Cd
的土壤中生长15、30、45天后, 其叶片AsA含量
只有CK的58.04%、56.86%和30%, GSH含量也降
为CK的66.67%、68.29%和60.00% (p < 0.05)。向
石竹幼苗叶面喷施不同浓度的GSH后, 3个时间点
指标 Index Cdroot Con 2O• H2O2 POD SOD CAT APX MDAR DHAR GR AsA GSH
Cdroot 1
Con 0.70** 1
O2·
– 0.91** 0.72** 1
H2O2 0.72** 0.52* 0.72** 1
POD –0.52* –0.74** –0.56** –0.33 1
SOD 0.66** 0.66** 0.49* 0.42 –0.50* 1
CAT –0.37 –0.10 –0.6** –0.42 0.14 0.27 1
APX –0.11 –0.19 –0.35 0.08 0.39 0.03 0.47* 1
MDAR –0.85** –0.73** –0.84** –0.62** 0.57** –0.40 0.48* 0.19 1
DHAR –0.71** –0.70** –0.76** –0.49* 0.46* –0.33 0.45* 0.29 0.78** 1
GR –0.78** –0.56** –0.84** –0.61** 0.45* –0.28 0.59** 0.24 0.72** 0.83** 1
AsA –0.74** –0.66** –0.83** –0.48* 0.55** –0.25 0.52* 0.47* 0.81** 0.87** 0.84** 1
GSH –0.49* –0.39 –0.65** –0.59** 0.52* 0.06 0.73** 0.28 0.58** 0.54* 0.68** 0.65** 1
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图4 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗叶片过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶活性的影响(CAT)
(平均值±标准偏差)。处理同表1。不同小写字母表示相同处理时间下不同浓度的外源谷胱甘肽处理间差异显著(p <
0.05)。
Fig. 4 Effects of exogenous glutathione on peroxidase (POD), superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) activities of
Dianthus chinensis seedling leaves under Cd stress (mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate sig-
nificant difference between exogenous glutathione treatments of same treatment duration (p < 0.05).


石竹叶片的AsA和GSH含量都随外源GSH的浓度
增大而先增加后平缓下降, AsA在处理IV达到最
大值, GSH在处理V达到最高值, 两者在处理VI下
降到最低值, 但仍高于处理I。由表3可知, 石竹幼
苗叶片AsA与GSH的含量与外源GSH浓度的相关
系数分别为0.565 (y = 0.002x + 0.643) (p < 0.05)和
0.757 (y = 0.002x + 0.311) (p < 0.01), 说明外源
GSH更多地直接影响石竹幼苗的GSH含量。
3 讨论
在50 mg·kg–1 Cd2+胁迫下, 石竹幼苗体内O2·–
产生速率加快, 导致单线态氧、H2O2以及 ·OH等
ROS分子积累, 使其体内抗氧化酶(POD、CAT、
APX等)活性降低, 非酶抗氧化剂(AsA、GSH等)
含量下降, 进而加剧了ROS的释放, 诱导石竹幼
苗细胞内ROS爆发, 引起膜脂过氧化, 细胞膜透
性增大, 细胞内重要的物质大量外渗、外界的有
毒物质进入细胞, 细胞内新陈代谢发生紊乱, 石
竹幼苗的生长发育受到抑制, 故而生物量降低。
施加外源物质能够提高植物对逆境胁迫的耐
受性, 如外源抗坏血酸(AsA)能提高盐胁迫下大
麦(Hordeum vulgare)叶绿体内ROS的清除能力
(Herbette et al., 2006); 外源半胱氨酸(Cys)可提高
小麦幼苗对铜胁迫的耐受性 (彭向永和宋敏 ,
2011); 外源NO能够减轻冷害胁迫对棉花光系统
II的伤害, 增强棉花(Gossypium hirsutum)的抗冷
丁继军等: 外源谷胱甘肽对石竹幼苗镉毒害的缓解效应 957

doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00098


图5 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗叶片抗坏血酸过氧化物酶(APX)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)、脱氢抗坏
血酸还原酶(DHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性的影响(平均值±标准偏差)。处理同表1。不同小写字母表示相同处理时
间下不同浓度的外源谷胱甘肽处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 5 Effects of exogenous glutathione on ascorbate peroxidase (APX), monodehydroascorbate reductase (MDAR), dehy-
droascorbate reductase (DHAR) and glutathione reductase (GR) activities of Dianthus chinensis seedling leaves under Cd
stress (mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate significant difference between exogenous glu-
tathione treatments of same treatment duration (p < 0.05).


性(杨美森等, 2012)等。GSH是植物体内一种必需
的代谢物和有力的调节物, 是AsA-GSH循环中重
要的非酶抗氧化剂, 可以清除因重金属诱导产生
的过量H2O2, 也能直接与O2·–和·OH等ROS发生非
酶反应而对其进行清除(陈沁和刘友良, 2000)。本
试验中, 向生长在50 mg·kg–1 Cd2+土壤中的石竹
幼苗叶面喷施60 mg·L–1的外源GSH, 及时补充了
其内源GSH (y = 0.002x + 0.311, R2 = 0.573)的不
足, 降低了其体内游离态Cd2+的积累量, 减缓了
叶片O2·–产生速率, 降低了H2O2和·OH等ROS的含
量 , 在一定程度上提高了POD、CAT、APX、
MDAR、DHAR和GR的活性以及AsA、GSH的含

958 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2013, 37 (10): 950–960

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图6 Cd胁迫下外源谷胱甘肽对石竹幼苗叶片抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量的影响(平均值±标准偏差)。处理同
表1。不同小写字母表示相同处理时间下不同浓度的外源谷胱甘肽处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 6 Effects of exogenous glutathione on ascorbic acid (AsA) and glutathione (GSH) content of Dianthus chinensis seed-
ling leaves under Cd stress (mean ± SD). Treatment see Table 1. Different small letters indicate significant difference between
exogenous glutathione treatments of same treatment duration (p < 0.05).


量, 从而有效地缓解了石竹幼苗受到的高浓度Cd
毒害。
由试验结果可知, 外源GSH降低了石竹幼苗
根系内Cd含量, 这可能是因为GSH在植物螯合态
合成酶的催化下在细胞质中聚合形成植物螯合肽
(phytochelatin, PC) (Ha et al., 1999), PC具有很强
的重金属亲和力 , 与石竹幼苗从土壤中吸收的
Cd2+螯合后形成无毒的化合物Cd-S4-complex, 这
些化合物随即被转运到石竹幼苗根系细胞液泡中,
并且在其他酶的作用下被排出细胞外, 从而降低
了石竹幼苗细胞内游离的Cd2+浓度 , 且防止了
Cd2+敏感酶变性失活。另外, 外源GSH抑制了石
竹幼苗根系中的Cd2+向地上部运输, 对地上部Cd
毒害的缓解作用大于根系, 这与外源GSH对海州
香薷(Elsholtzia haichomensis)铜毒害的缓解作用
的结果(钱猛和朱昌华, 2010)一致。
本试验中, 随着外源GSH的喷施, 石竹幼苗
叶片的O2·–产生速率下降, H2O2等ROS的含量减少,
一方面是这些ROS直接由GSH还原, 另一方面与
石竹幼苗体内的抗氧化酶系统关系密切。SOD、
POD、CAT是植物体内重要的保护酶, SOD可以催
化O2·–发生歧化反应生成H2O2和O2, POD和CAT则
将H2O2分解成H2O。生长在含有50 mg·kg–1 Cd2+
的土壤中的石竹幼苗的叶片体内POD与CAT活性
都大幅度下降, SOD活性不减反增; 向石竹幼苗
叶面喷施GSH后, POD与CAT活性有先增后减的
趋势, 而处理I–VI的SOD活性从始至终均处在较
高水平, 没有显著变化, 足以说明SOD酶作为一
种诱导酶(杜海荣等, 2010)在逆境抗氧化反应过
程中的敏感性 , 也验证了SOD是植物体内清除
ROS系统的第一道防线, 影响着植物体内的H2O2
和O2·–的浓度 , 在植物自身防御系统中处于核心
的地位(罗娅等, 2007)。这也与外源AsA对Cd胁迫
下黑藻(Hydrilla verticillata)抗氧化系统的保护作
用研究结论一致(许丙军等, 2006)。在AsA-GSH循
环中, APX利用AsA将H2O2还原为H2O, 同时形成
MDHA, MDHA很不稳定 , 一部分MDAR被还原
为AsA, 另一部分进一步氧化生成DHA, DHA以
GSH为底物在DHAR的作用下生成AsA, 此反应
产生的氧化型谷胱甘肽(GSSG)又可在GR的催化
下被还原成GSH (Smirnoff, 2000), 所以APX、
MDAR、DHAR和GR活性决定了植物体内的
AsA-GSH循环所起到的抗逆境生理作用。试验中,
MDAR和GR在AsA-GSH循环中的敏感性强于
丁继军等: 外源谷胱甘肽对石竹幼苗镉毒害的缓解效应 959

doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00098
APX和DHAR, 且MDAR与AsA、GR与GSH的相
关系数分别达到0.81和0.68 (表4), 这说明MDAR
还原MDHAR是AsA再生的主要途径, 而GR是生
成GSH的重要酶, 这分别与Mittova等(2000)和Jin
等(2003)结论一致。
4 结论
综上所述, 喷施适宜浓度的外源GSH可补充
石竹幼苗体内的非酶抗氧化剂, 提高抗氧化酶活
性, 有效地缓解土壤重金属Cd对石竹幼苗的氧化
胁迫, 从而改善其生长状况, 但喷施过高浓度的
外源GSH, 缓解效应有下降的趋势。由于本试验
设计的外源GSH浓度范围有限, 更高浓度的外源
GSH是否会与Cd协同氧化胁迫石竹幼苗还需要
进一步研究。综合试验各因素表明, 55–65 mg·L–1
的外源GSH对土壤重金属Cd胁迫下石竹幼苗的
缓解效果最佳。
基金项目 四川农业大学双支计划。
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